荣雅君《模拟与数字电子技术》第二章半导体器

本章提要：半导体二极管和晶体管是常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。PN结是构成各种半导体器件的基础。因此，本章重点讨论以下几个问题：1）半导体的导电特性；2）PN结的形成及其导电特性；3）半导体二极管的工作原理及其特性曲线、主要参数及应用；4）特殊二极管；5）晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。作为了解的内容，介绍：1）场效应晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数；2）晶闸管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数及应用。学习的重点是半导体器件的工作原理、特性曲线、主要参数及其应用。,第二章半导体器件,第二章半导体器件第一节半导体二极管,按照物质的导电能力分类：,导体：导电能力强,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间,绝缘体：不导电,一、半导体的导电特性,（一）半导体的特点,1半导体的电导率可以因加入杂质而发生显著的变化。例如在室温时，纯硅中掺入一亿分之一的杂质(称掺杂)，其电导率会增加几百倍。,2温度的变化，也会使半导体的电导率发生显著的变化，利用这种热敏效应人们制作出了热敏元件。但另一方面，热敏效应会使半导体元、器件的热稳定性下降。,3.光照不仅可以改变半导体的电导率，而且可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光电晶体管、光电耦合器和光电池等。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,（二）本征半导体没有杂质、而且晶体结构完整的半导体，称为本征半导体（纯净半导体）。,共价键,价电子,硅原子,自由电子,空穴,复合,1硅和锗晶体的共价键结构,2.半导体中的两种载流子自由电子和空穴,第二章半导体器件第一节半导体二极管,在本征半导体中，两种载流子成对出现，成对消失，形成动态平衡。因此整个原子是电中性的。温度对载流子的影响很大，温度升高时，载流子的数量增加。,自由电子带负电荷，空穴带正电荷。,自由电子和空穴都是载运电流的粒子，统称为载流子。,半导体的导电特点：在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,（三）杂质半导体在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的半导体称作杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同。可分为两种：,N型半导体：掺杂五价元素,P型半导体：掺杂三价元素,第二章半导体器件第一节半导体二极管,1N型半导体在本征半导体中掺入少量的五价磷元素，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。,多余电子,五价磷,电子空穴对,自由电子数多于空穴数,第二章半导体器件第一节半导体二极管,2P型半导体在本征半导体中掺入少量三价元素，可以形成P型半导体，常用于掺杂的三价元素有硼、铝和铟。,空穴,三价硼,电子空穴对,空穴数多于自由电子数,第二章半导体器件第一节半导体二极管,在N型半导体中，自由电子数大于空穴数，自由电子-多数载流子(多子)。空穴-少数载流子(少子)。在P型半导体中，空穴数大于自由电子数，空穴-多子。自由电子-少子。不论N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,二、PN结1、PN结的形成,内建电场,多子扩散,少子漂移,(1)内建电场对多数载流子的扩散运动起到阻碍作用；(2)内建电场可推动少数载流子越过空间电荷区向对方漂移。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,2PN结单向导电特性外加反向电压PN结反向截止,外加电场,内电场,I0,少子漂移,第二章半导体器件第一节半导体二极管,外加正向电压PN结正向导通,外加电场,内电场,I,多子扩散,PN结的单向导电性,第二章半导体器件第一节半导体二极管,结论：,利用PN结的单向导电性，可以制成半导体二极管及各种半导体元件,(1)PN结正偏：,PN结导通,空间电荷区变窄,电阻,有利于多子扩散,电流,(2)PN结反偏：,PN结截止,电阻,有利于少子漂移,电流,空间电荷区变宽,第二章半导体器件第一节半导体二极管,三、半导体二极管二极管通常有点接触型和面接触型两种,阳极A,阴极K,V,点接触型,面接触型,第二章半导体器件第一节半导体二极管,二极管的管压降与其电流的关系曲线，称为二极管的伏安特性曲线,第二章半导体器件第一节半导体二极管,1二极管的伏安特性,硅管,锗管,第二章半导体器件第一节半导体二极管,a点,Uon,b点,I=ISRexp(U/UT)-1,c点,线性区,d点,反向击穿区,二极管管压降,UBR,死区电压硅管约0.5V锗管约0.1V,非线性区,硅管为0.60.8V；锗管为0.10.3V,截止区,反向击穿电压,反向饱和电流,第二章半导体器件第一节半导体二极管,2二极管的主要参数1)最大整流电流IFM指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。当电流超过允许值时，将由于PN结的过热，而使二极管损坏。2)反向电流IR指在一定环境温度条件下，二极管承受反向工作电压、又没有反向击穿时，其反向电流的值。它的值愈小，表明二极管的单向导电特性愈好。温度对反向电流影响较大，经验值是，温度每升高10，反向电流约增大一倍。使用时应加注意。3)反向工作峰值电压URM指管子运行时允许承受的最大反向电压。通常取反向击穿电压的二分之一至三分之二。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,3二极管的近似特性和理想特性由二极管的伏安特性曲线可见，由于二极管正向导通时电压变化很小，而反向截止时，电流很小。对于所分析的电路来说，将它们忽略时，产生的误差很小。故通常可用理想二极管的特性代替二极管的伏安特性。,近似特性,理想特性,UD,第二章半导体器件第一节半导体二极管,近似特性：（当电源电压与二极管导通时正向电压降相差不多时）二极管的电压小于导通正向电压时，二极管截止，电流为0；二极管导通后，正向电压降恒为UD。理想特性：（当电源电压远大于正向电压降时）加正向电压时，二极管导通，正向电压降和正向电阻为0，（二极管相当于短路）加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，反向电阻无穷大。（二极管相当于开路）,第二章半导体器件第一节半导体二极管,0,t,0,t,E,E,t1,t2,时,二极管截止,（0t1与t2以后）,时,二极管导通,（t1t2）,限幅电路,例2-2图2-12a中的R和C构成一微分电路。当输入电压ui如图1-12b中所示时，试画出输出电压uo的波形。设uC(0)=0。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,第二章半导体器件第一节半导体二极管,二极管正向压降是0.3V,第二章半导体器件第一节半导体二极管,四、特殊二极管1.稳压二极管,第二章半导体器件第一节半导体二极管,稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。,锗稳压管特性曲线,硅稳压管特性曲线,VS,K,A,第二章半导体器件第一节半导体二极管,稳压管的主要参数有下面几个：1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下两端的电压。2）电压温度系数说明稳压管受温度变化影响的参数。例如电压温度系数为0.095%/，则表示温度每升高1，它的稳压值将比额定温度时升高0.095%。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,3）动态电阻rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。4）稳定电流IZ稳压管正常工作时的参考电流。5）最大允许耗散功率PZM稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM。即稳压管的额定功耗。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,当Ui=+20V时，VS1反向击穿，其稳压值UZ1=6.3V，VS2正向导通，UD2=0.7V，则Uo=+7V；同理Ui=-20V时,Uo=-7V,VS1,VS2,第二章半导体器件第一节半导体二极管,2、发光二极管下图为发光二极管发射电路通过光缆驱动光电二极管电路。,第二章半导体器件第一节半导体二极管,第一章半导体器件第二节半导体三极管,半导体三极管(简称晶体管或三极管)是最重要的一种半导体器件。它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。晶体管的特性是通过特性曲线和工作参数来分析研究的。为了更好地理解和熟悉管子的外部特性，本节首先简单介绍管子内部的结构和载流子的运动规律。,第一章半导体器件第二节半导体三极管,第一章半导体器件第二节半导体三极管,一、基本结构双极型半导体器件晶体三极管的结构，目前最常见的有平面型和合金型两类(图2-19)。硅管主要是平面型，锗管都是合金型。,平面型,合金型,第一章半导体器件第二节半导体三极管,晶体三极管分为NPN型和PNP型两类。,第一章半导体器件第二节半导体三极管,二、电流放大原理晶体管必须满足一定的偏置条件，才能有电流放大作用。图2-21电路是以NPN型硅三极管接成共射形式（基极回路和集电极回路以发射极作为公共端）的示意图。,由图可见，晶体管的外部偏置条件是：电压源UBB通过电阻RB提供给发射结正向偏置；而电压源UCC通过电阻RC加到集电极，使集电结处于反向偏置。,第一章半导体器件第二节半导体三极管,第一章半导体器件第二节半导体三极管,NPN三极管电流方向及各电流的关系,IC,ICE,ICBO,IB,IBE,IE,共射电流放大系数,表示晶体管的电流放大作用。（共射形式）,第一章半导体器件第二节半导体三极管,结论,晶体管有电流放大作用。,晶体管的发射结正偏，集电结反偏时，,晶体管为电流控制器件（基极电流控制集电极电流）,参加导电的有自由电子和空穴，故又叫双极型晶体三极管,NPN,PNP,NPN型与PNP型晶体管电流电压的参考方向,第一章半导体器件第二节半导体三极管,三、晶体管的伏安特性曲线,1输入伏安特性曲线（NPN）,定义,硅管,晶体管输入特性与二极管的正向特性一样，也有一段死区。只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶体管才会出现。,硅管的死区电压约为,锗管的死区电压约为,晶体管导通后，其发射结电压变化范围很小,锗管,第一章半导体器件第二节半导体三极管,2输出特性曲线,定义,(1)截止区,外部特征：,三极管相当于开路。,外部（偏置）条件：,发射结反向偏置，集电结反向偏置。,(2)饱和区,外部特征：,三极管相当于短路。,外部（偏置）条件：,发射结正向偏置，集电结正向偏置。,第一章半导体器件第二节半导体三极管,（3）放大区,饱和区,放大区,截止区,恒流特性,外部（偏置）条件：,发射结正向偏置，集电结反向偏置。,外部特征：,电流恒定,电流放大,电流控制,2,4,6,iB大iC也大，iB等于0iC也等于0iB控制iC,电压在很大范围内变化，电流几乎不变,第一章半导体器件第二节半导体三极管,四、主要参数,1电流放大系数衡量晶体管电流放大能力的重要指标,直流：,交流：,在数值上,2反向电流,晶体管的极间反向电流是少数载流子反向漂移形成的，因此，受温度影响比较严重，是反映管子质量的指标，极间反向电流越小，管子质量越高。,（1）集电极基极间反向饱和电流,(2)集电极-发射极间穿透电流,第一章半导体器件第二节半导体三极管,3极限参数,(3)集电极最大允许耗散功率PCM,(1)集电极最大允许电流ICM,(2)集电极发射极反向击穿电压BU(BR)CEO,过损耗区,晶体管电极的判别,PNP,第一章半导体器件第二节半导体三极管,NPN,1数字式万用表量程置于欧姆档时,“+”端红表笔输出电压的极性为正极,而“-”端黑表笔输出电压的极性为负极。指针式万用表的电压极性与之相反。,2基极可以视为发射结和集电结两个PN结的公共电极。以基极固定于某一测试表笔，而将另一表笔分别和另两个电极相连。当测得电阻阻值很低时，表示两个结均被加上正向电压，反之，被加上反向电压。,3三极管处于放大状态的值，远比处于倒置（C、E极互换）状态的值大。,测量要点,第一章半导体器件第二节半导体三极管,1.确定基极：将红表笔和黑表笔先后固定到三极管的某条引腿。若(指针式表用1k档，数字式表用测二极管挡)测得该腿和另两条腿之间有低欧姆电阻，则该引腿即为基极，如果连基极的表笔为黑色（指针式表为红色），则该管为PNP管，若为红色（指针式表为黑色），则该管为NPN管。,测量步骤,2.确定集电极和发射极：对NPN管，将红、黑表笔分别和待判别的两个电极相连接，在红表笔（指针式表为黑表笔）所连电极和已判明的基极之间接个10k左右的电阻，意味着加一偏流，观察电表指示欧姆值的大小，在调换表笔的两次测量中，加偏流后电表指示欧姆值小，则意味着此种连接情况下的值大，红表笔（指针式表为黑表笔）所接电极为集电极。,对PNP管，方法与上述相似，只是偏流电阻接于黑表笔（指针式表为红表笔）所接电极和已判明的基极引腿之间。,第一章半导体器件第三节晶闸管,一、基本结构,阳极A,阴极K,门极（控制极）G,结构示意图,符号,第一章半导体器件第三节晶闸管,二、工作原理,(1)A、K之间加反向电压，门极开路,J2正偏，J1、J3反偏，V1不导通，晶闸管处于截止状态,(2)A、K之间加正向电压，门极开路,UAK,UAK,J1、J3正偏，J2反偏，V1不导通，晶闸管处于截止状态,第一章半导体器件第三节晶闸管,IG,21IG,1IG,IB1,J1、J2、J3均正偏，V1、V2导通,如此循环，形成正反馈，使V1、V2很快达到饱和导通，此过程时间很短，只有几微秒，晶闸管迅速导通。导通后，A、K间压降很小，电压全部加在负载上。晶闸管中流过的电流与负载电流相同。,UGK,IG=IB1,V1放大,IC1=1IB1=1IG=IB2,V2放大,IC2=2IB2=21IG=IB1,（4）控制极的作用晶闸管导通后，由于前面正反馈的作用，即使UGK0仍能保持继续导通，因此，门极仅仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，门极就失去控制作用。一般门极采用脉冲信号触发信号。,（3）A、K之间加正向电压，G、K之间加正向电压,第一章半导体器件第三节晶闸管,（5）晶闸管的关断,2.使阳极电流iA小于维持电流IH，即iAIH，晶闸管将截止。,1.A、K极之间加反向电压，令uAK0，晶闸管则处于截止状态,结论：,晶闸管导通条件：,1.阳极A和阴极K之间加正向电压,2.控制极G和阴极K之间加正向电压,3.阳极电流大于擎住电流,可见晶闸管是一个可控的导电开关；它与二极管相比，不同之处是其正向导通受控制极电流控制。,晶闸管关断条件：,1.A、K极之间加反向电压；,2.iA0特性,A,B,C,D,正向转折电压,维持电流,擎住电流,反向击穿电压,第一章半导体器件第三节晶闸管,四、主要参数,在控制极开路、元件额定结温、晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压(允许每秒重复50次，每次持续时间不大于10ms)，此电