《半导体元件zxm》PPT课件.ppt

1、哈尔滨工业大学 电工学教研室,第11章 常用半导体器件,返回,11.1 半导体的导电特性 11.2 PN结 11.3 半导体二极管 11.4 稳压管 11.5 半导体三极管,目 录,返回,电工和电子科学技术发展史,一、电学的早期发展 1. 摩擦电研究，人物：迪费、马森布罗克、富兰克林。 2流电研究，人物；伽伐尼、伏打。 3静电的定量研究，人物：卡文迪许、库仑。,二、19世纪的电磁学 1电流的磁效应，人物：奥斯特、安培。 2欧姆定律，人物：欧姆。 3法拉第的电磁感应定律，人物：法拉第。 4电磁理论之集大成麦克斯韦，人物：麦克斯韦。 5电磁波的实验发现，人物：赫兹。,三、电力革命与电气时代（第二次

2、工业技术革命） 1电动机与发电机，人物：皮克希、惠斯通、西门子。 2发电站与远距输电，人物：德波里。 3电灯、电影，人物：爱迪生。 4电报，人物：亨利、莫尔斯。 5电话，人物：贝尔。 6无线电，人物：马可尼、波波夫。,四、电子技术与信息时代（第三次工业技术革命(第三次浪潮) 1电子管、晶体管和集成电路，人物：弗莱明、德福雷斯特、肖克莱、基尔比。 2无线广播，人物：费森登。 3电视，人物：尼普科、兹沃里金。 4电子计算机，人物：巴比奇、莫克莱、冯诺意曼。,模拟电子技术简介,电子二极管和三极管在20世纪头几年相继问世。真空电子二极管的发明使人类打开了电子文明的大门，而电子三极管的发明及其放大原理的

3、发现，标志着人类科技史进入了一个新的时代：电子时代。,发展史,1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。 1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管，并在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。 1945年，二次世界大战刚结束，贝尔实验室成立了一个固体物理研究组，主要成员有：物理学家肖克利、布拉顿、巴丁，还有一些电子线路专家、物理化学家、冶金学家的参与，在大家的共同努力下，终于在1947午12月23日研制成功了以锗为材料的第一只晶体管。并于1956年肖克利、布拉顿、巴丁共同获得诺贝尔物理学奖。,1958年美国科学家基尔

4、比在德州仪器半导体实验室发明的集成电路改变了整个电子世界，标志着微电子时代的到来。 仙童公司的创始人之一高登.摩尔于1965年对微电子技术的发展做了一个预言。他认为，每过16个月集成电路的价格降低一半而性能增加一倍。这就是著名的摩尔定律。 集成电路由小规模、中规模，70年代发展到大规模集成电路，超大规模集成电路，日前已开始向巨大规模集成电路进军，今天的集成电路面积可达400500mm2，线宽可达0.2，集成电路存储器芯片能存储一部百科全书。,集成电路从20世纪50年代末出现至今，其发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的，以集成电路为核心的微电子技术已经渗透到现代通信、信息技术

5、、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用。 IC卡、电子表、录音机、DVD、MP3、电视机、电子玩具、电子游戏、计算机、手机、机器人、互联网等，进入人们的生活。 MEMS是英文MicroElectronMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。,模拟电子电路初步,模拟电子电路就是处理模拟信号的电子电路。模拟电路中的电信号称模拟信号，它与

6、变换成电信号前的信息信号在波形上几乎“一模一样”，所以称模拟信号。模拟信号在时间上是连续的(不间断)，数值幅度大小也是连续不间断变化的信号(传统的音频信号、视频信号都是这种信号)。 模拟电子电路通常由一些电阻、电容和电感和一些半导体器件所组成，所以在讨论和介绍模拟电子电路之前，先介绍一下一些常用的半导体器件。,11.1 半导体的导电特性,物质按导电能力来分：,1）导体：电阻率,2)绝缘体：电阻率,3)半导体：电阻率,11.1 半导体的导电特性,半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。,半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性,返回,半导体的种类,本征半导体就是完全纯净的半导体。 杂质

7、半导体在本征半导体中掺杂其它的微量元素。,本征半导体就是完全纯净的半导体。,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.,硅的原子结构,返回,几个常用名词,1.价电子：最外层电子（四个价电子，是四价元素）。 2.惯性核：除价电子以外的原子及原子核。 3.共价键：相邻的两原子，各出一个价电子，构成共用的电子对，形成共价键结构。 4.自由电子：获得一定的能量（高温或光照）后，共价键中的电子即可挣脱共价键的束缚，成为自由电子。 5.空穴：在电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中留下一个空穴，这个空穴带正电。,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也

8、称为晶体 晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中的共价健结构,11.1.1 本征半导体,返回,自由电子与空穴,11.1.1 本征半导体,共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中 留下一个空穴。,返回,热激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 热激发,11.1.1 本征半导体,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,温度一定时，本征半导体中的自由电子空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多。,返回,半导体导电方式,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

9、原理上的本质差别。,载流子,自由电子和空穴,因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。,11.1.1 本征半导体,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,返回,空穴的运动方式（空穴电流）与自由电子 的运动方式有本质的区别。 自由电子能在晶体中自由运动； 空穴的移动是正离子吸引邻近的价电子造 成的，即空穴的运动只能从一个束缚状态 到另一个束缚状态。,注意：,半导体的种类,本征半导体就是完全纯净的半导体。 杂质半导体在本征半导体中掺杂其它的微量元素，会改变半导体的导电能力，这种掺入杂质的半导体，称为杂质

10、半导体。,11.1.2 杂质半导体,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入微量的五价磷（或其它五价元素）。,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,电子型半导体或N型半导体,返回,11.1.2 N型半导体和P型半导体,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入三价硼（或其它三价元素）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或P型半导体。,返回,11.1.2 N型半导体和P型半导体,注意： 不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,返回,11.1 半导体的导电特性 11.2 PN结 11.3 半导体二极管 11.4 稳压管 11.5 半导体三极管

11、,目 录,返回,11.2 PN结,11.2.1 PN结的形成,返回,PN结是由扩散运动形成的。,11.2.1 PN结的形成,返回,内部运动： 空间电荷区的电荷不能移动，不能参与导电；载流子数目少，其电阻率很高。 内电场对多数载流子的的扩散起阻碍作用，又称其为阻挡层。 尽管内电场对多数载流子的运动起阻碍作用，但是可推动两个区域内的少数载流子的越过空间电荷区，进入对方区域。 少数载流子在内电场的作用下的有规则运动称为飘移运动。,11.2.1 PN结的形成,总之： 存在着两种运动： 1）一种是多数载流子由于浓度差别而产生的扩散运动； 2）另一种是少数载流子在内电场的作用下产生的飘移运动。 这两种运动

12、相互联系，又相互矛盾。,11.2.1 PN结的形成,过程：,开始，多数载流子的扩散占优势， 随着空间电荷区的加宽，内电场加强，扩散运动逐渐减少；少数载流子的飘移运动则逐渐加强； 最后，扩散运动和飘移运动达到动平衡。 例：P区的空穴向N区扩散的数目与N区的空穴向P区的飘移的数目相等。 空间电荷区稳定下来，PN结处于稳定状态，对外呈电中性。,11.2.1 PN结的形成,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,返回,PN结外加正向电压：指外电源的正极接PN结的P区，外电源的负极接PN结的

13、N区。 PN结外加反向电压：指外电源的正极接PN结的N区，外电源的负极接PN结的P区。,11.2.2 PN结的单向导电性,11.2.2 PN结的单向导电性,外加正向电压使PN结导通,外电场与内电场的方向相反，外电场使P区空穴和N区的电子进入空间电荷区，使电荷区变窄，使得扩散加强。导通。 电流从P区指向N区，即空穴的运动方向。 PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流正向电流,返回,11.2.2 PN结的单向导电性,外加反向电压使PN结截止,一方面，内外电场方向相同，靠近电荷区的空穴和电子被驱走，PN结加宽，多数载流子的扩散难于进行。 另一方面，内电场的增强，使得少数载流子的

14、飘移运动加强，形成反向电流。由于载流子数目小，电流不大。,返回,PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流 -反向电流 特点: 受温度影响大 原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的,11.2.2 PN结的单向导电性,结 论,PN结具有单向导电性,（1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。,（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。,返回,End,11.1 半导体的导电特性 11.2 PN结 11.3 半导体二极管 11.4 稳压管 11.5 半导体三极管,目 录,返回,11.3 半导体二极管,11.3.1 基本结构 11.3.2

15、伏安特性 11.3.3 二极管的主要参数 11.3.4 应用举例 11.3.5 发光二极管,返回,PN结面积小，通过电流小，但高频特性好，多用于高频和小功率电路。,11.3.1 基本结构,PN结面积大，工作频低，一般用于整流电路。,11.3.1 基本结构,11.3.1 基本结构,11.3.2 伏安特性,半导体二极管的伏安特性是非线性的。,返回,11.3.2 伏安特性,外加电压低时，还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散的阻力，电流小 当正向电压超过一定数值时，内电场被大大削弱，电流增长很快。,1 正向特性,死区电压：这一数值的电压称为死去电压。 与温度和环境有关 硅管：0.5伏左右，锗管： 0

16、.1伏左右。 正向压降： 硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。,11.3.2 伏安特性,1 正向特性,返回,正向压降： 硅管：0.60.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。,11.3.2 伏安特性,二极管一旦导通，其两端电压近似为一常数。,此电压为二极管的管压降。,反向电流： 反向饱和电流： 反向击穿电压U（BR）,11.3.2 伏安特性,2 反向特性,反向电流：由于少数载流子的漂移运动，形成反向电流。,11.3.2 伏安特性,2 反向特性,返回,特点： 1）随温度的升高增长很快； 2）当不超过某一范围时，反向电流的大小基本不变，而与反向电压大小无关，称为反向饱和电流。,11.3.2

17、 伏安特性,2 反向特性,当反向电压增加到某一数值时，反向电流忽然增大，二极管的导电特性被破坏，这种现象称为击穿。 这一电压称为反向击穿电压U（BR）。,原因： 1）外加电场把原子最外层的价电子拉出来，使载流子数目增多。 2）处于强电场中的载流子又因获得了获得能量加速，将其它电子撞击出来，形成连锁反应。,11.3.3 主要参数,1 最大整流电流IFM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。,2 反向工作峰值电压URM: 保证二极管不被击穿而给出的最高反向工作电压，一般是反向击穿电压的一半。,3 反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 说明管子质量的好坏，反

18、向电流大说明其单向导电性差，受温度影响大。,返回,11.3.4 应用举例,主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例: 图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。,VY=+2.7V,解：,DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。,DA起钳位作用， DB起隔离作用。,返回,11.3.5 发光二极管,特点：功耗小、体积小、抗震性好、寿命性长，响应时间快，使用方便。,工作原理：当PN结加正向电压时，从N区扩散到P区的电子和由P区扩散到N区的空穴，在PN结附近数微米区

19、域内分别与P区的空穴和N区的电子复合，复合时放出能量，进而发光。,11.3.5 发光二极管,使用时一般串联电阻，避免电流过大而烧坏二极管，电阻称为限流电阻。 特点：电流越大，发光二极管越亮。 将多个发光二极管组合一起构成LED数码管。,11.1 半导体的导电特性 11.2 PN结 11.3 半导体二极管 11.4 稳压管 11.5 半导体三极管,目 录,返回,11.4 稳压管,是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。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。,1 稳压管表示符号：,返回,IZ,UZ,2 稳压管的伏安特性：,3 稳压管稳压原理：,稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽

20、然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。,稳压管的反向特性曲线比较陡。,反向击穿 是可逆的。,返回,11.4 稳压管,3 稳压管与普通二极管的比较： 1）伏安特性基本相同，只是反向特性曲线比较抖一些； 2）普通二极管正常工作时反向电压不允许达到击穿电压值，否则由击穿而损坏；稳压管恰恰是在反向击穿电压下工作，去掉反向电压后、，稳压管又恢复正常。,11.4 稳压管,4 主要参数,稳压管在正常工作下管子两端的电压。,返回,（2）稳定电流,IZ,稳压管加稳定电压时通过的正常工作电流。,（3）最大整流电流,IZMAX,稳压管正常工作时允许达到的最大电流。

21、,11.4 稳压管,例题,稳压管的稳压作用,当UUZ大于时,稳压管击穿,此时,选R，使IZIZM,返回,11.1 半导体的导电特性 11.2 PN结 11.3 半导体二极管 11.4 稳压管 11.5 半导体三极管,目 录,返回,11.5 半导体三极管,11.5.1 基本结构,11.5.1 基本结构 11.5.2 电流分配和放大原理 11.5.3 特性曲线 11.5.4 主要参数,结构,返回,11.5.1 基本结构,返回,NPN型三级管示意图及电路符号,11.5.1 基本结构,返回,PNP型三级管示意图及电路符号,无论是NPN型或PNP型，都具有两个共同的特点 1）基区的厚度很薄，掺杂浓度很低

22、； 2）发射区的掺杂浓度很高 NPN型或PNP型尽管在结构上不同，但其工作原 理是相同的。,11.5.1 基本结构,11.5.2 电流分配和放大原理,共发射极接法,返回,EC EB; 两个回路：基极回路及集电极回路,11.5.2 电流分配和放大原理,可看出：VCVB,发射结加的正向电压（正偏），集电结加的 是反向电压（反偏）。,11.5.2 电流分配和放大原理,晶体管电流测量数据,由此实验及测量结果可得出如下结论： （1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和IC比IB 大的多。 （3）当IB=0（将基极开路）时， IE=ICEO， ICEO0.001mA,返回,用载流子在

23、晶体管内部的运动规律来解释上述结论。,11.5.2 电流分配和放大原理,外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。,返回,11.5.2 电流分配和放大原理,1）由于发射结正偏，发射区向基区扩散电子，同时基区空穴向发射扩散。 发射区的电子向基区扩散形成电流IE，但由于基区的空穴浓度低，空穴电流很小，可忽略。,结论：大量电子将越过发射结进入基区。,11.5.2 电流分配和放大原理,2）电子最初聚集在发射结的边缘，而集电结的电子较少，形成浓度上的差异，因此自由电子扩散。 由于基区很薄，大部分电子能扩散到集电结边缘，少部分与空穴复合掉。,结论：基极电源也不断的拉走受激发的电子，形成基极电流IB,1

24、1.5.2 电流分配和放大原理,3）集电结反偏，内电场增强，集电区的自由电子不能扩散到基区去，但内电场却把扩散到集电结的自由电子拉到集电区。集电区收集从发射区扩散过来的电子。,结论：集电区的自由电子不断地被EC拉走，形成集电极电流IC； 同时，集电区少子（空穴）飘移到基区，形成反向饱和电流ICBO,11.5.2 电流分配和放大原理,发射结正偏,扩散强,E区多子（自由电子）到B区,B区多子（空穴）到E区,穿过发射结的电流主要是电子流,形成发射极电流IE,IE是由扩散运动形成的,1 发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。,返回,11.5.2 电流分配和放大原理,2 电子在基区中的扩散与复合，形

25、成基极电流IB,E区电子到基区B后，有两种运动,同时基区中的电子被EB拉走形成,IB,IEB=IB时达到动态平衡,形成稳定的基极电流IB,IB是由复合运动形成的,返回,11.5.2 电流分配和放大原理,3 集电极收集电子，形成集电极电流IC,集电结反偏,阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子,有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO,形成集电极电流IC,返回,11.5.2 电流分配和放大原理,返回,11.5.3 特性曲线,用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。,以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。,返回,11.5.3 特性曲线,输出特性曲线：指当基极电流IB为一常数时，输出电路 （集电极电路）中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的 关系曲线。,输入特性曲线：指当集-射极电压UCE为常数时，输入回路 （基极回路）IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。,11.5.3 特性曲线,死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。 正常工作时，发射结的压降： NPN型硅管UBE=0.60.7V; PNP型锗管UBE=-0.2-0.3V。,返回,输入特性曲线,11.5.3 特性曲线,输出特性曲