电子技术第7章-半导体.ppt

1、主讲 刘琼,武科大信息学院,第7章 半导体器件,7.2 PN结及其单向导电特性,7.3 半导体二极管,7.4 稳压二极管,7.1 半导体的导电特性,7.5 双极型晶体管,第7章 半导体器件,要点,P型和N型半导体特点： 多子，少子，参入几价元素,2. PN结单向导电性：如何导通及截止,3. 二极管的符号；死区电压与导通压降区别；多个二极管导通原则,4. 稳压管的符号；稳压管正反向导通区别,5. 三极管的分类及极间电位；电流放大公式；三极管输出特性的三个分区及PN结状态,7.1 半导体的导电特性,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,常见半导体材料有硅、锗、硒及金属的氧化物和硫化物等。半导

2、体材料多以晶体的形式存在。,半导体材料的特性：,纯净半导体的导电能力很差； 温度升高导电能力增强（如钴、锰、镍的氧化物做成的热敏电阻）； 光照增强导电能力增强（如镉、铅等硫化物做成的光敏电阻）； 掺入少量杂质导电能力增强。,7.1.1 本征半导体,完全纯净、具有晶体结构的半导体,最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。 它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。,Si,Ge,共价键,7.1.1 本征半导体,在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻的四个原子结合。,每个原子的一个外层价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，电子对由相邻两原子共有，构成共价键结构。,共价键价电子,

3、共价键,价电子,自由电子和空穴同时产生,7.1.1 本征半导体,激发,自由电子,温增和光照,外加电压,电子电流,离开,剩空穴,原子带正电,吸引相邻原子价电子填补空穴,好像空穴在运动（正电荷）,外加电压,空穴电流,与金属导电的区别,多,硅原子,自由电子,硅原子,半导体中的自由电子和空穴都能参与导电 半导体具有两种载流子。,共价键,价电子,7.1.1 本征半导体,本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好温度对半导体器件性能影响很大,7.1.2 杂质半导体,在常温下

4、，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。,如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。,由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类N型半导体和 P型半导体,1. N型半导体,当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素)时，磷原子与周围四个硅原子形成共价键后，磷原子的外层电子数将是 9 ，比稳定结构多一个价电子。,P,1. N型半导体,掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。自由电子导电是这种半导体的导电方式，称之为电子半导体或N型半导体。,在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。,室温情况下，本征硅中载流

5、子有1.51010个/cm3，当磷掺杂量在106量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。,当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素)时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼原子的外层电子数将是 7 ，比稳定结构少一个价电子。,B,2. P型半导体,掺硼半导体中，空穴数目远大于自由电子数目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。,一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍。,不论是N型还是P型半导体，都只有一种多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。,2. P型半导体,因为载流子带正

6、电或负电，原子则相反带负电或带正电，整个晶体不带电。,？,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,练习,7.2 PN结及其单向导电性,不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。,半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体

7、晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。,各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。,7.2.1 PN结的形成,P,N,多数载流子将进行扩散运动；,耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；(内电场)也称耗尽层,一块晶片的两边分别为P型半导体和N型半导体,内电场阻碍了多子的继续扩散，推动少子的漂移运动，最终达到动态平衡，空间电荷区宽度一定。,P区 空穴多 自由电子少,N区 自由电子多 空穴少,内电场,载流子的运动有两种形式：,扩散 由于载流子浓度梯度引起的载流子从高浓度区向低浓度区的运动。

8、,漂移 载流子受电场作用沿电场力方向的运动。,耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡，这样的耗尽层就是PN结,PN结内电场的方向由N区指向P区。,7.2.1 PN结的形成,7.2.2 PN结的单向导电性,PN结未加电压时，载流子的扩散和漂移运动处于动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定。,1) 加正向电压,将电源的”+”接P区、”-”接N区。,扩散增强,I,下面讨论加有外部电压时的PN结特性。,外电场作用,P区空穴进入PNN,N区电子进入PNP,PN结内正负离子被抵消,PN结变窄,电荷易过电阻低,内电场弱,漂移变弱,多子形成正向电流（包括方向一致的空穴电流和电子电流）,外电源不断提供电

9、荷维持电流。,2) 加反向电压,将外电源的正端接N区、负端接P区。,外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽。扩散运动变弱，漂移运动增强，参与漂移运动的载流子是少子，反向电流极小。,P,N,I0,少子是由热激发产生的，即温度愈高少子的数量愈多，故温度对反向电流的影响很大。,PN结具有单向导电性，即正向（P+N-）导通、反向截止,7.2.2 PN结的单向导电性,7.3 半导体二极管7.3.1 结构与分类,将PN结加上电极引线及外壳，就构成了半导体二极管。 PN结是二极管的核心。根据所用材料不同，二极管有硅二极管和锗二极管两种。,既然二极管是由 PN 结构成的，它自然具有着单向导电性。某种硅二极管的

10、电流-电压关系 (伏安特性)可见图示：,由电压零点分为正向区和反向区,正向：由死区电压分为死区和导通区,0-0.5v:正压低外电场0.5v:正压高外电场内电场内电场大大削弱正向电流大导通压降：,7.3.2 伏安特性,死区,导通区,(Si-0.5V Ge-0.1V),Si 0.60.7V Ge 0.20.3V,截止区:负压小漂移强(少子)很小反向电流反向饱和电流,反向：由击穿电压分为截止区和击穿区,7.3.2 伏安特性,击穿区:负压大二极管失去单向导电性击穿反向击穿电流不可逆,击穿原因：碰撞和非碰撞,碰撞:强电场中载流子获大能量碰撞晶格价电子弹出，产生电子空穴对即新的载流子再碰撞晶格雪崩反应，反

11、向电流越来越大反向击穿,非碰撞:强电场直接将共价键中价电子拉出，产生电子空穴对，形成较大反向电流,二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一些数据进行说明这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有：,1. 最大整流电流IOM 二极管长时间使用所允许通过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，为反向击穿电压的1/2至2/3。,3. 反向峰值电流IRM 二极管加反向峰值电压时的反向电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差，硅管的此参数值为微安级以下。,7.3.3 主要参数,4. 最高工作频率fM 二极管能承受的外施电压的最高频率。若超过则失去单向

12、导电性。PN结两侧的空间电荷与电容极板充电时所储存的电荷类似，称为结电容,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管的单向导电性总结,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 U

13、D为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的， 正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。,7.3.4 二极管的应用,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,7.3.4 二极管的应用,+ -,如图由RC构成微分电路，当输入电压ui为矩形波时，试画出输出电压uo的波形。(设uc0 =

14、0),7.3.4 二极管的应用,应用：整流、检波、限幅、元件保护、开关元件,a、检波,+ -,+ -,+ -,充电,+ -,反向不通,=0,=0,+ -,- +,- +,0,- +,UR=Ui-UC,UR=UC,放电,正向导通,二极管使uo 只留下负尖脉冲，起限幅作用,7.3.4 二极管的应用,b、钳位、隔离,如图锗管，VA=+3V，VB=0V R接负电源-12V，求VY,多个二极管导通原则： 设所有管不通，所有R短路，计算各管上正向电压，谁高谁导通。 导通管有压降，剩下各管重新计算电压。大于死区电压导通，否则截止。,解：,UDA=3-（-12）=15V UDB=0-（-12）=12V DA优

15、先导通， 导通压降设为0.3V VY=3-0.3=2.7V,+ -,+ -,UDB=0-2.7=-2.7V DB反向截止。,DA起钳位作用，把VY钳住在2.7V DB起隔离作用，隔离输入B和输出Y,类比 例7.3.1,ui 5V，二极管导通，可看作短路 uo = E=5V ui 5V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,二极管是理想的，试画出输出电压uo 波形。,5V,例7.3.2,参考点,7.3.4 二极管的应用,已知：,电源电动势E=5V,二极管阴极电位为 5 V,c、限幅,二极管使uo 输出不超过5V，起限幅作用,7.4 稳压二极管7.4.1 伏安特性,稳压管是一种特殊的面接触型二极

16、管。它在电路中常用作稳定电压的作用，故称为稳压管。,稳压管的图形符号：,稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，只是反向曲线更陡一些。,7.4.1 伏安特性,稳压管工作于反向击穿区，常见电路如下。,在电路中稳压管是反向联接的。 当U i大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿（可逆），电流将增大，电阻R两端的电压增大，在一定的电流范围内稳压管两端的电压基本不变，输出电压U o等于U z 。,1、稳定电压Uz 指稳压管正常工作时的端电压。 同一型号稳压管UZ也不一定相等。,2、稳定电流IZ 正常工作的参考电流值。 每种型号稳压管都规定有一个最大稳定电流IZM，超过它，易发生热击穿（不可逆），稳压管损毁

17、,IZIZM。,7.4.1 主要参数,3、电压温度系数 U,说明稳压值受温度影响的参数。,如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095% / C 假如在20 C时的稳压值为11V，当温度升高到50 C时的稳压值将为,特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。,因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。,7.4.1 主要参数,4、动态电阻rZ 稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比。稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压效果越好。,5、最大允许耗散功耗PZM 保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。,其值为稳定电压和允许的最大电流乘积,7.4.1 主要参数,如图，通过稳压管的电

18、流IZ等于多少？,解：,UR=18-10=8V,IZ=IR=8/1.6=5mA18mA,因IZ=18mA I1=50-18=32mA,R1=UZ/I1=10/32=0.3125k,例7.4.1,由于IZIZM，所以限流电阻R阻值合适,若R阻值缩小十倍，IZ=?,IZ=IR=8/0.16=50mA18mA,此时需对稳压管并联R1=？,7.5 双极型晶体管7.5.1 基本结构,半导体三极管(晶体管)是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中。,晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型都是硅管、合金型主要是锗管。它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管

19、。,其三层分别称为发射区、基区和集电区，并引出发射极(E)、基极(B)和集电极(C)三个电极。三层之间的两个PN结分别称为发射结和集电结。,7.5.1 基本结构,杂质多,尺寸大,不行,+ + -,- - +,1、发射区向基区扩散电子,内部载流子运动规律,发射结处于正向偏置，掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散。,放大作用的内部条件：基区很薄且掺杂浓度很低。,2、电子在基区的扩散和复合,基区厚度很小，电子在基区继续向集电结扩散。（但有少部分与空穴复合而形成IBE IB）,7.5.2 电流放大作用,B,E,C,N,N,P,EB,RB,EC,要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结 必须反

20、向偏置具有放大作用的外部条件。,3、集电区收集扩散电子,集电结为反向偏置使内电场增强，对从基区扩散进入集电结的电子进行加速，收集电子到集电区，形成集电极电流(ICE IC)。,由电流分配关系示意图可知发射区向基区注入的电子电流IE将分成两部分ICE和IBE，它们的比值为,它表示晶体管的电流放大能力，称为电流放大系数,7.5.2 电流放大作用,少子运动形成反向截止电流,B,E,C,N,N,P,EB,RB,EC,IBE,ICE,在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化。,根据晶体管放大的外部条件，发射结必须正向偏置,电位P高N低，集电结必须反向偏置，电位P低N高。

21、则,对于NPN型晶体管,且,对于PNP型晶体管,且,7.5.2 电流放大作用,发射结,集电结,NPN,集电结,发射结,PNP,某放大电路中，测得一晶体管3个电极的对地电位分别为VX=-6V，VY=-3.4V、VZ=-3.2V，试判断该晶体管是NPN型还是PNP型，锗管还是硅管，并确定三个电极。,2. 判断锗管还是硅管： 另两个电位分别与基极相减，结果为0.60.7V为硅管，结果为0.20.3V为锗管；产生压降的为发射结。,例 习题7.8.3-7,解：,4. 剩下管脚为集电极。,3. 确定类型：发射结除基极外的另一端为发射极；基极电位高于发射极电位，则基极为P，发射极为N，晶体管为NPN型，否则

22、为PNP型。,VY-VZ=-3.4-（-3.2）=-0.2V，锗管；YZ为发射结。,VY=-3.4VVZ=-3.2V，Y为N，Z为P，晶体管为PNP型。,确定基极： 三个电位比较大小，无论NPN型还是PNP型，中间电位为基极。,- -N +P,Y,VX=-6VVY=-3.4VVZ=-3.2V，Y为基极。,Z,X,P,7.5.3 特性曲线,最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线，实验测绘是得到特性曲线的方法之一。特性曲线的测量电路见右图。,用晶体管特性图示仪也可直接测量及显示晶体管的各个特性曲线。,晶体管的特性曲线是表示一只晶体管各电极电压与电流之间关系的曲线。是应用晶体管和分析放大

23、电路的重要依据。,1. 输入特性曲线,输入特性曲线当UCE为常数时的IB与UBE之间的关系曲线。,3DG6的输入特性曲线,对硅管来说，当 UCE 1V时，集电结已处于反向偏置，发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流， UCE 1V后，输入特性曲线基本重合，只画一条。但IB与UBE的关系依然与PN结的正向类似。(当UCE更小， IB才会明显增加),硅管的死区电压为0.5V， 锗管的死区电压不超过0.1V。,放大状态 硅NPN管UBE=0.60.7V 导通压降： 锗PNP管UBE = -0.2-0.3V,(参见右图),2. 输出特性曲线,当IB一定时，UCE超过约1V以后就将形成IC，

24、当UCE继续增加时， IC 的增加将不再明显。这是晶体管的恒流特性,当IB增加时，相应的IC也增加，曲线上移，而且IC比IB 增加得更明显。这是晶体管的电流放大作用。,输出特性曲线是在IB为常数时，IC与UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到不同的曲线，即晶体管的输出特性曲线是一组曲线(见下图)。,(1) 放大区,特性曲线近于水平的区域。在放大区,也称线性区。此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。,(2) 截止区,IB=0曲线以下的区域。 IB=0时IC= ICEO。对于硅管当UBE 0.5V时即开始截止。为了可靠截止常使UBE0。即截止时两个PN结都反向偏置。,通常将晶体管的输出特性曲线

25、分为三个工作区：,2. 输出特性曲线,IB=0,20A,2. 输出特性曲线,当UCE UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。在饱和区， IB的变化对IC影响较小，失去放大作用。,即：饱和时，晶体管的发射结处于正偏、集电结也处于正偏。,各态偏置情况：,(3) 饱和区,IB=0,20A,放大区,晶体管的特性不仅可用特性曲线表示，还可用一些数据进行说明，即晶体管参数。它是设计电路和选用器件的依据。,当晶体管接成共发射极时，静态(直流)时的IC与IB的比值称为共发射极静态(直流)放大系数：,当晶体管工作在动态时，电流增量IC与IB的比值称为动态(交流)放大系数：,1. 电流放大系数 、,7.5.4