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第一章 半导体器件,半导体器件是近代电子学的重要组成部分. 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。,1.1 半导体的基本知识,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,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。 半导体的电阻率为10-3109 cm。,一、半导体及其特性,1、什么是半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。,2、半导体的导电特性,1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。 3、常用半导体材料 1）元素半导体 如：硅、锗 2）化合物半导体 如：砷化镓 3）掺杂或制成其他化合物半导体的材料 如；硼、磷、铟、锑,1、本征半导体,化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,1）内部结构,一、半导体物质的内部结构和导电机理,本征半导体的共价键结构,束缚电子,如硅晶体中，原子之间靠的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子所共有，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 在高度纯净的硅晶体中，所有外层电子均用于构成共价键，没有多余的自由电子，只有通过很强的力才能使电子脱离晶体束缚。,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度t=0k时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,2）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着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，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。,电子空穴对的产生,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300k时：,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,两种导电方式,总结,复合： 激发： 激发和复合成对产生成对消失 载流子：自由电子和空穴 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。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。 漂移运动：载流子在电场力的作用下的定向运动 自由电子向电源正极移动，空穴向负极移动。虽然电子、空穴的运动方向相反，但在外电路中形成电流却一致。,2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就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浓度大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为n型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为p型半导体（空穴半导体）。,1）n型半导体,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，其中四个与相临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。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,硅原子,磷原子,多余电子,n型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,n型半导体,n型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,因为掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,2）p型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（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，与相临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，形成空穴使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,硼原子,空穴,硅原子,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,p型半导体,p型半导体中的载流子是自由电子和空穴,1、由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,因为掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。,总 结,1、n型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 n型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、p型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。 3、多子由掺杂浓度决定，少子由温度决定。,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,pn结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,三. pn结及其单向导电性,1 . pn结的形成,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,2. pn结的单向导电性,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接p区，负极接n区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流i f,(2) 加反向电压电源正极接n区，负极接p区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流i r,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故ir基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但ir与温度有关。,pn结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， pn结导通； pn结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， pn结截止。 由此可以得出结论：pn结具有单向导电性。,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍p中的空穴、n中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、p中的自由电子和n中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,请注意,在pn结的两端加上电压后，通过管子的电流i随管子两端电压v变化的曲线-伏安特性。,pn 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,pn结伏安特性,根据理论分析：,u 为pn结两端的电压降,i 为流过pn结的电流,is 为反向饱和电流,ut =kt/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q 为电子电荷量1.6109 t 为热力学温度 对于室温（相当t=300 k） 则有ut=26 mv。,当 u0 uut时,当 u|u t |时,1.2 二极管,二极管的结构和分类,二极管的符号和型号,二极管的伏安特性,二极管的参数,二极管的温度特性,二极管的应用,一、 二极管的结构和分类,在pn结上加上引线和外壳，就成为一个二极管。二极管按结构一般分有点接触型、面接触型,(1) 点接触型二极管,pn结面积小， 结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,1、结构,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工 艺中。pn 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,pn结面积大，用 于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,2、分类,1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流 4）按频率分：高频和低频,二、符号和型号,阳极、p型材料,阴极、n型材料,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,图 二极管的伏安特性曲线,三、 二极管的伏安特性,1、正向特性,硅二极管的死区电压uth=0.5v左右,导通电压0.6v-0.8v。 锗二极管的死区电压uth=0.1v左右,导通电压0.2v-0.3v。,当0uuth时，正向电流为零，uth称为死区电压或开启电压。,当u0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：,当uuth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,2、反向特性,当 u0时，即处于反向特性区 域。反向区也分两个区域：,当ubru0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流is 。,当uubr时，反向电流急剧增加，ubr称为反向击穿电压 。,四、二极管的参数,(1) 最大整流电流if,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,(2) 反向击穿电压ubr,最大反向工作电压urm-,(3) 反向电流ir,(4) 正向压降uf,(5) 动态电阻rd,硅二极管的反向电流一般在纳安(na)级；锗二极管在微安(a)级。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8v；锗二极管约0.20.3v。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =uf /if,ud,rd是二极管特性曲线工作点q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rd是对q附近的微小变化量的电阻。,五、二极管的温度特性,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。,另外，温度升高时，二极管的正向压降将减 小，每增加1，正向压降uf(ud)大约减小2mv， 即具有负的温度系数。,图 温度对二极管伏安特性曲线的影响,图示,例 1、 画出硅二极管构成的桥式整流电路在 ui = 15sint (v) 作用下输出 uo 的波形。,(按理想模型),六、二极管的应用,1.3 特殊二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样,(b),一、稳压二级管 1、特性,(a),2、符号,(1) 稳定电压uz ,(2) 动态电阻rz ,在规定的稳压管反向工作电流iz下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rz愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rz =uz /iz,3、主要参数,(3) 最大耗散功率 pzm ,稳压管的最大功率损耗取决于pn结的面积和散热等条件。反向工作时pn结的功率损耗为 pz= uz iz，由 pzm和uz可以决定izmax。,(4) 最大稳定工作电流 izmax 和最小稳定工作 电流izmin ,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即pzmax =uzizmax 。而izmin对应vzmin。 若izizmin则不能稳压。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,(c),4、稳压管的应用,1、光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,二、其它特殊二极管,2、发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。常用作显示器件。,3、光电耦合器,光电耦合器由发光管（发光二极管）、受光管（光电二极管或光电三极管）组成，封装于一体。 光电耦合器为单向传输器件，输入端加正向信号电压时，发光管发光，将光信号传送给受光管。受光管内阻减小，饱和导通，将接收到的光信号转换为电流从输出端输出，通过“电光电”的转换，实现输入输出电路上电气隔离，可消除噪音。,1.4 晶体三极管,一、结构、符号和分类,发射极 e,基极 b,集电极 c,发射结,集电结, 基区, 发射区, 集电区,emitter,base,collector,npn 型,pnp 型,两个结、三个区、三个极,e的箭头方向为发射结加正向电压时电流的方向,基本结构与分类,1、,1）基区：最薄，掺杂浓度最低,3）集电区：面积较大,2）发射区：掺 杂浓度最高,2、结构特点,3、分类：,1）按材料分： 硅管、锗管,4）按功率分： 小功率管 500 mw,2）按结构分： npn、 pnp,3）按使用频率分： 低频管、高频管,大功率管 1 w,中功率管 0.5 1 w,半导体三极管图片,二、电流放大原理,1. 三极管放大的条件,内部 条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部 条件,发射结正偏 集电结反偏,2. 满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,3. 三极管内部载流子的传输过程,1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 ie。,i cn,多数向 bc 结方向扩散形成 icn。,ie,少数与空穴复合，形成 ibn 。,i bn,基区空 穴来源,基极电源提供(ib),集电区少子漂移(icbo),i cbo,ib,ibn ib + icbo,即：,ib = ibn icbo,2)电子在基区扩散与复合 电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),i cn,ie,i bn,i cbo,ib,3) 集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 ic,ic,i c = icn + icbo,三、三极管的电流控制作用,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,ib = i bn icbo,ic = icn + icbo,穿透电流,1、电流分配关系,ie= icn+ibn =ic+ ib,2、电流的放大作用,直流放大系数,ie = ic + ib,定义：,为交流放大系数,一般的，,当ebibicrcic,(ib=eb/rb),四、 晶体三极管的特性曲线,、输入特性,输入 回路,输出 回路,与二极管特性相似,时,特性基本重合(电流分配关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 ube(on),硅管： (0.6 0.8) v,锗管： (0.2 0.3) v,取 0.7 v,取 0.2 v,、输出特性,）截止区： ib 0 ic = iceo 0 条件：两个结反偏,截止区,iceo,特点：分三个区,2）放大区：,放大区,截止区,条件： 发射结正偏 集电结反偏 特点： 水平、等间隔,iceo,3）饱和区：,uce u be,ucb = uce u be 0,条件：两个结正偏,特点：ic ib,临界饱和时： uce = ube,深度饱和时：,0.3 v (硅管),uce(sat)=,0.1 v (锗管),放大区,截止区,饱 和 区,iceo,ic的大小取决于ec和rc，,五、温度对特性曲线的影响,1. 温度升高，输入特性曲线向左移。,温度每升高 1c，ube (2 2.5) mv。,温度每升高 10c，icbo 约增大 1 倍。,t2 t1,2. 温度升高，输出特性曲线向上移。,温度每升高 1c， (0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,o,六、 晶体三极管的主要参数,、电流放大系数,1）共发射极电流放大系数, 直流