《电工学》_秦曾煌主编第六版下册_电子技术_第14章

(1-0)第十四章半导体器件电子技术模拟电路部分(14-1)第十四章半导体器件§14.1半导体的导电特性§14.2PN结及其单向导电性§14.3二极管§14.4稳压二极管§14.5晶体管§14.6光电器件(14-2)导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。§14.1半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体(14-3)半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：•当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化--热敏特性、光敏特性。•往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变--掺杂特性。(14-4)14.1.1本征半导体一、本征半导体的结构GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。(14-5)本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：(14-6)硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子(14-7)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。共价键形成后，每个原子最外层电子是八个，构成比较稳定的结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4(14-8)二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴(14-9)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子自由电子、空穴成对出现(14-10)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动(14-11)温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。(14-12)14.1.2N型半导体和P型半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。(14-13)一、N型半导体+4+5+4+4多余电子磷原子在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。(14-14)二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。这个空位可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。+4+4+3+4空位硼原子P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。空穴(14-15)三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子，受温度影响较小。(14-16)PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。§14.2PN结及其单向导电性(14-17)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。(14-18)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。(14-19)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区(14-20)PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正电压、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负电压、N区加正电压。(14-21)一、PN结加正向电压内电场外电场变薄PN－－－－++++RE+_内电场被削弱，多子扩散加强，能够形成较大的正向电流。(14-22)二、PN结加反向电压－－－－++++内电场外电场变厚NP+_RE内电场被加强，多子扩散受到抑制，少子漂移加强，但因少子数量有限，只能形成较小的反向电流。(14-23)总结：1、加正向电压时，PN结处于导通状态，呈低电阻，正向电流较大。2、加反向电压时，PN结处于截止状态，呈高电阻，反向电流很小。PN结具有单向导电性(14-24)一、基本结构：PN结加上管壳和引线。结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。14.3二极管(14-25)UI硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压，二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。二、伏安特性：非线性(14-26)三、主要参数1.最大整流电流IOM二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URWM保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压U(BR)的一半或三分之二。点接触型D管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。(14-27)3.反向峰值电流IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小（几微安），锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要是利用它的单向导电性，它可应用于整流、检波、限幅、保护等等。(14-28)UI导通压降实际二极管：正向导通----硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V二极管电路分析定性分析：判二极管的工作状态----导通、截止(14-29)二极管电路分析分析方法：1.断开二极管2.a)分析其两端电位高低，b)或其两端所加电压UD的正负。3.a)V阳V阴→导通V阳V阴→截止b)UD0→导通UD0→截止(14-30)二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例例1：二极管半波整流(14-31)例2：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，试求：VY=?方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值。因：VAVB故：DA优先导通DB截止若：DA导通压降为0.3V则：VY=2.7V解：P12：例14.3.2DA-12VVAVBVYDBR(14-32)例3：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，试求：VY=?方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值。因：VAVB故：DB优先导通DA截止若：DB导通压降为0.3V则：VY=0.3V解：P12：例14.3.2DAVAVBDBVY+12VR(14-33)ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。Vsin18itu8V例4：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。uit18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––(14-34)UI硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压，二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。伏安特性：非线性(14-35)符号UZIZIZMUZIZ伏安特性稳压管正常工作时，需加反向电压，工作于反向击穿区。使用时要加限流电阻稳压原理：稳压管反向击穿以后，电流变化很大，但其两端电压变化很小。_+UIO§14.4稳压二极管曲线越陡电压越稳(14-36)(1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数U环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻ZZZUIr(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压二极管的主要参数:(14-37)例1：已知：Uz=12V，IZM=18mA，R=1.6KΩ。试求：Iz=?限流电阻R的阻值是否合适？解：Iz=(20–Uz)/R=(20-12)/1.6x103=5mA因：IZIZM故：限流电阻R的阻值合适P14：例14.4.1+IZDZ+20VR=1.6kUZ=12VIZM=18mA(14-38)14.5.1基本结构常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型(a)平面型(b)合金型BEP型硅N型硅SiO2保护膜铟球N型锗N型硅CBECPP铟球结构图§14.5晶体管(14-39)NPN型晶体管PNP型晶体管发射区集电区基区集电结发射结基极发射极集电极CENNPB发射区集电区基区发射结集电结集电极发射极基极CEPPNBNNCEBPCETBIBIEIC符号BECPPNETCBIBIEIC符号(14-40)基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大(14-41)BECNNP三极管放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VBVE集电结反偏VCVBNPN发射结正偏VBVE集电结反偏VCVBEBRBECRC14.5.2电流分配和放大原理从电位的角度看(14-42)晶体管电流放大的实验电路设EC=6V，改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：各电极电流关系及电流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100(14-43)IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05