电气基础半导体元器ppt课件

1、半导体器件 3.1半导体的根本知识 物质按导电才干的不同可分为导体、半导体和绝缘体物质按导电才干的不同可分为导体、半导体和绝缘体3类。日常类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在导率在105Scm-1量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在质称为绝缘体，它们的电导率在10-2210-14Scm-1量级；导电才量级；导电才干介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在干介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在10-9

2、102Scm-1量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的资料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有用来制造半导体器件的资料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅硅(Si)、锗、锗(Ge)和砷化镓和砷化镓GaAs)等。等。 半导体器件本征半导体：完全纯真的、构造完好的半导体。杂质半导体：在纯真的半导体中参与微量的杂质元素 后构成的半导体。杂质半导体N性半导体电子性半导体掺入5价的杂质元素如磷P，多数载流子是自在电子。P性半导体空穴性半导体掺入3价的杂质元素如硼B，多数载流子是空穴。半导体器件这是硅和锗构成的共价这是硅和锗构成的共价

3、键构造表示图键构造表示图 晶体构造中的共价晶体构造中的共价键具有很强的结合力，键具有很强的结合力，在热力学零度和没有外在热力学零度和没有外界能量激发时，价电子界能量激发时，价电子没有才干挣脱共价键束没有才干挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没缚，这时晶体中几乎没有自在电子，因此不能有自在电子，因此不能导电导电硅和锗的简硅和锗的简化原子模型。化原子模型。半导体器件 当半导体的温度升高或遭到光照等外界要素的影响时，某些当半导体的温度升高或遭到光照等外界要素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因此能脱离共价键共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因此能脱离共价键的束缚成为自在电子

4、，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为的束缚成为自在电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴空穴 。半导体器件 不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，依然子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，依然呈电中性而不带电。呈电中性而不带电。 半导体之所以得到广泛的运用，是由于它具有以下特性。半导体之所以得到广泛的运用，是由于它具有以下特性。 2. 半导体的独特性能1 热敏性。温度可明显地改动半导体的电导率。热敏性。温度可明显地改动半导体的电导率。利用这种热敏效应可制成热敏器件。利用这

5、种热敏效应可制成热敏器件。2光敏性。光照不仅可改动半导体的电导率，还光敏性。光照不仅可改动半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。光电池等。3掺杂性。经过掺入杂质可明显地改动半导体的掺杂性。经过掺入杂质可明显地改动半导体的电导率。例如，室温电导率。例如，室温30C时，在纯真锗中掺入一亿时，在纯真锗中掺入一亿分之一的杂质称掺杂，其电导率会添加几百倍。分之一的杂质称掺杂，其电导率会添加几百倍。 空间电荷区空间电荷区3、PN结的构

6、成及单相导电在一定条件例如温度一定下，多数载流子的分散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动那么逐渐加强，最后两者到达动态平衡，空间电荷区的宽度根本稳定下来，PN结就处于相对稳定的形状。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间电荷区如上图所示，也就是空间电荷区如上图所示，也就是PN结，又叫耗尽层。结，又叫耗尽层。 P区N区空间电荷区空间电荷区对于电场线的复习对于电场线的复习一、电场线：在电场中人为做出的表达电场的强弱和一、电场线：在电场中人为做出的表达电场的强弱和 方向的一系列假想曲线。方向的一系列假想曲线。二、电场线性质：二、电场线性质： A.假想

7、的，不是真实的假想的，不是真实的 B.起于正电荷或无穷远止于负电荷或无穷远起于正电荷或无穷远止于负电荷或无穷远C.电场线不相交不闭合。电场线不相交不闭合。D.电场线的疏密表示电场的强弱。线上某点的切线方向表示该点的电场方向电场线的疏密表示电场的强弱。线上某点的切线方向表示该点的电场方向三、三、 对于均匀电场对于均匀电场四四 、电场的叠加：服从平行四边形定那么、电场的叠加：服从平行四边形定那么半导体器件PN结的单导游电性空空间间电电荷荷区区变变窄窄 R 内内电电场场 外外电电场场 P N I正正向向 US 加正向电压时，空间电荷区变窄，PN结处于导通形状。半导体器件 E R 内电场 外电场 空间

8、电荷区变宽 P N IR 加反向电压时，空间电荷区变宽，PN结处于截止形状。半导体器件 3.2半导体二极管 一个一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管，接在半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧的引出线称为阳型半导体一侧的引出线称为阳极；接在极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。型半导体一侧的引出线称为阴极。 半导体二极管按其构造不同可分为点接触型和面接触型两类。半导体二极管按其构造不同可分为点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管点接触型二极管PN结面积很小，因此结电容小，适用于高频结面积很小，因此

9、结电容小，适用于高频几百兆赫兹下任务，但不能经过很大的电流。主要运用于小电流的几百兆赫兹下任务，但不能经过很大的电流。主要运用于小电流的整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。 面接触型二极管面接触型二极管PN结面积大，因此能经过较大的电流，但其结结面积大，因此能经过较大的电流，但其结电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。半导体器件半导体器件2、二极管的伏安特性 a 阳极 阴极 k -60 -40 -20 0.4 0.8 U /V 40 30 20 10 I /mA 0 正向特性

10、反向特性 死区电压 二极管外加正向电压较小时，外二极管外加正向电压较小时，外电场缺乏以抑制内电场对多子分散电场缺乏以抑制内电场对多子分散的阻力，的阻力，PN结仍处于截止形状结仍处于截止形状 。 正向电压大于死区电压后，正正向电压大于死区电压后，正向电流向电流 随着正向电压增大迅速上随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为锗管约为0.1V。导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.60.7V，锗管约为，锗管约为0.20.3V。温度上升，死。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。区电压和正向压降均相应降低。

11、 半导体器件 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧添加。外加反向电压时，外加反向电压时， PN结处于截止形状，反向电流很小；结处于截止形状，反向电流很小； 显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。 普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，普通普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，普通都会呵斥都会呵斥“热击穿，热击穿将使二极管永久性损坏。热击穿，热击穿将使二极管永久性损坏。 半导体器件3.二极管的主要参数DTru1RLu2UL 二极管半波整流电路二极管半波整流电路uuDAUF二极管钳位电路二极管钳位电路RuOuiD1D2二极管限幅电路二极管限幅电路 二极管运用范围很广，主要是利用它的

12、单导游电性，常用于整流、二极管运用范围很广，主要是利用它的单导游电性，常用于整流、检波、限幅、元件维护以及在数字电路中用作开关元件等。检波、限幅、元件维护以及在数字电路中用作开关元件等。 半导体器件4.特殊二极管阳极 阴极稳压管图符号稳压管图符号稳压管实物图稳压管实物图半导体器件I/mA40302010-5-10-15-20 A正向0 0.4 0.812 8 4反向UZIZU/V 当反向电压加到某一数值时，当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击反向电流剧增，管子进入反向击穿区。图中穿区。图中UZ稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压值。值。 由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但由

13、图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其反向击穿是可逆的，不会发生其反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿，热击穿，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压根本不随反向电流变化而变化，这就是向电压根本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压二极管的稳压特性。 稳压管的主要参数：1稳定电压UZ：反向击穿后稳定任务的电压。2稳定电流IZ：任务电压等于稳定电压时的电流。半导体器件发光二极管单个发光二极管实物单个发光二极管实物发光二极管图符号发光二极管图符号 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光发光二极管是一种能把电能直接转换成光能

14、的固体发光元件，简称元件，简称LED。发光二极管和普通二极管一样，管芯由。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN构呵斥，具有单导游电性。正导游通时才干发光。发光的颜构呵斥，具有单导游电性。正导游通时才干发光。发光的颜色有红、绿、黄等多种，其正向任务电压普通在色有红、绿、黄等多种，其正向任务电压普通在1.53V允许允许经过的电流为经过的电流为220mA，电流的大小决议发光的亮度。左图所，电流的大小决议发光的亮度。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。示为发光二极管的实物图和图符号。半导体器件光电二极管 光电二极管也称光敏二极管，是利用半导体光敏特性制光电二极管也称光敏二极管，是利用半导体光敏特性

15、制造的光接受器件。和普通二极管一样，管芯由造的光接受器件。和普通二极管一样，管芯由PN构呵斥，具构呵斥，具有单导游电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的有单导游电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“窗口，这个窗口用有机玻璃透镜进展封锁，入射光经过窗口，这个窗口用有机玻璃透镜进展封锁，入射光经过透镜正好射在管芯上。其反向电流与照度正正比，即没有光透镜正好射在管芯上。其反向电流与照度正正比，即没有光线照射时，反向电流很小，称为暗电流；有光线照射时，反线照射时，反向电流很小，称为暗电流；有光线照射时，反向电流较大，称为光电流。向电流较大，称为光电流。光电二极管图符号光电二极管图符号半导体器

16、件 3.3晶体三极管 双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的PN构呵斥的。在任务过构呵斥的。在任务过程中两种载流子都参与导电，所以全称号为双极结型晶体管。程中两种载流子都参与导电，所以全称号为双极结型晶体管。 双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。或简称晶体管。 从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电极，这就是极，这就是“三极管简称的来历。三极管简称的来历。 半导体器件 由两块由两块N型半导体中间夹着一块型半导体

17、中间夹着一块P型半导体的管子称为型半导体的管子称为NPN管。还管。还有一种与它成对偶方式的，即两块有一种与它成对偶方式的，即两块P型半导体中间夹着一块型半导体中间夹着一块N型半导体型半导体的管子，称为的管子，称为PNP管。管。晶体控制造工艺上的特点是：发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质晶体控制造工艺上的特点是：发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度底，集电结面积大。这样的构造才干保证晶体管具有电流放大作用。浓度底，集电结面积大。这样的构造才干保证晶体管具有电流放大作用。三个极：发射极、集电极、基极三个区：发射区、集电区、基区两个结：发射结、集电结半导体器件 晶体管的种类很多,按照频率分，有

18、高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按用途不同分为放大管和开关管；按照半导体资料分，有硅管、锗管等等。晶体管的符号如下图：硅管热稳定性好，多数为硅管热稳定性好，多数为NPN型；锗管受温度型；锗管受温度影响大，多数为影响大，多数为PNP管。管。半导体器件 2、三极管的电流放大作用AAmAmAmAmAICICIBIBIEIEUBBUBBUCCUCCRBRB3DG63DG6NPNNPN型晶体管电流放大的实验电路型晶体管电流放大的实验电路RCRCCEB 左图所示为验证三极管电流放大左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。改动可调

19、电阻共射电路。改动可调电阻RBRB，基极电，基极电流流IBIB，集电极电流，集电极电流ICIC和发射极电流和发射极电流IEIE都会发生变化，由丈量结果可得出以都会发生变化，由丈量结果可得出以下结论：下结论：1. IE IB IC 符合符合KCL定律定律2. IC IB， 为管子的静态流放大为管子的静态流放大系系数，用来表征三极管的电流放大才干；数，用来表征三极管的电流放大才干；3. IC IB 为管子的动为管子的动态电流放大系数态电流放大系数 晶体管内部：晶体管内部： a发射区杂质浓度发射区杂质浓度基区基区集电区；集电区； b基区很薄。基区很薄。晶体管外部：晶体管外部： 发射结正偏，集电结反偏

20、。发射结正偏，集电结反偏。半导体器件 N IC IE IB RB UBB UCC RC N P 半导体器件 3、三极管的特性曲线ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +UBE0.4 0.8 UBE /V40302010IB /mA0UCE1V测量三极管特性的实验电路 三极管的输入特性曲线1 1输入特性曲线输入特性曲线晶体管的输入特性与二极管类似晶体管的输入特性与二极管类似输入特性曲线是指输入特性曲线是指UCE为常数时，为常数时，IB和和UCE之间的关系曲线，之间的关系曲线， 即即 IB=f(UBE)/Uce=常数常数半导体器件2、输出特性曲线BCii 4 3 2 1 IB=0 0

21、3 6 9 12 UCE /V 20A 40A 60A 80A 100A 饱和区饱和区 截止区截止区 放放 大大 区区 IC /mA 1放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置2截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 3饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置0 0CBii；iB0，uBE0，uCEuBEBCii半导体器件 4、三极管的主要参数(BR)CEOCC)3221(UU半导体器件 3.4 晶闸管N1P1P2N2AKGAKG晶闸管有三个电极：阳极A、阴极K、门极控制极G具有三个PN结。半导体器件 P1P2N2N1正向阻断形状：反向阻断形状：P1P2N2N1导通形状：N1P1P2N2UGK晶闸管导通