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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 3 109 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if 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ir 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 38 10 23q为电子电荷量1 6 10 9t为热力学温度对于室温 相当t 300k 则有ut 26mv 当u 0u ut时 当u ut 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0 u uth时 正向电流为零 uth称为死区电压或开启电压 当u 0即处于正向特性区域 正向区又分为两段 当u uth时 开始出现正向电流 并按指数规律增长 2 反向特性 当u 0时 即处于反向特性区域 反向区也分两个区域 当ubr u 0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u ubr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 6 0 8v 锗二极管约0 2 0 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 15sin t 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 uziz 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iz izmin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 500mw 2 按结构分 npn pnp 3 按使用频率分 低频管 高频管 大功率管 1w 中功率管0 5 1w 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 icn 多数向bc结方向扩散形成icn ie 少数与空穴复合 形成ibn ibn 基区空穴来源 基极电源提供 ib 集电区少子漂移 icbo icbo 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 icn ie ibn icbo ib 3 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ic ic ic 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 ibn 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eb ib ic rcic 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 7v 取0 2v 输出特性 截止区 ib 0ic 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 ube ucb uce ube 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 3v 硅管 uce sat 0 1v 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1 c ube 2 2 5 mv 温度每升高10 c 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1 c 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