第5章半导体器件ppt课件

1、教材教材:电路与电子简明教程电路与电子简明教程 主讲教师主讲教师: :张军颖张军颖电子技术5.1 半导体的基本知识半导体的基本知识5.2 半导体二极管半导体二极管5.3 稳压管二极管稳压管二极管5.4 半导体三极管半导体三极管第第5 5章章 半导体器件半导体器件5.1 半导体的基本知识半导体的基本知识半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。半导体材料的特性：半导体材料的特性

2、：纯净半导体的导电能力很差；纯净半导体的导电能力很差；热敏特性热敏特性: :温度升高温度升高-导电能力增强导电能力增强( (如钴、锰、镍如钴、锰、镍的氧化物做成的热敏电阻的氧化物做成的热敏电阻) )；光敏特性光敏特性: :光照增强光照增强-导电能力增强导电能力增强( (如镉、铅等硫如镉、铅等硫化物做成的光敏电阻化物做成的光敏电阻) )；掺入少量杂质掺入少量杂质-导电能力增强导电能力增强( (可做成半导体二极管、可做成半导体二极管、半导体三极管半导体三极管) ) 。5.1.1 本征半导体本征半导体1.本征半导体本征半导体:完全纯净、具有晶体结构的半导体。完全纯净、具有晶体结构的半导体。最常用的半

3、导体为硅最常用的半导体为硅(Si)(Si)和锗和锗(Ge)(Ge)。它们的共同特征。它们的共同特征是四价元素是四价元素, ,每个原子最外层电子数为每个原子最外层电子数为4 4。+ + +SiGe共价键共价键5.1.1 本征半导体本征半导体本征半导体中本征半导体中,每每个原子与相邻的个原子与相邻的四个原子结合。四个原子结合。共价键共价键:每个原子的一个外层价电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子与另一原子的一个价电子组成一个电子对个电子对,这电子对叫共价键。这电子对叫共价键。2.共价键结构共价键结构这对价电子是由相邻两原子共有这对价电子是由相邻两原子共有,把相邻原子结合在一起把

4、相邻原子结合在一起,构成共价构成共价键结构。键结构。共价键共价键价电子价电子共价键共价键价电子价电子自由电子和空穴同时产生自由电子和空穴同时产生5.1.1 本征半导体本征半导体获取能量获取能量自由电子自由电子升温和光照升温和光照外加电压外加电压电子电流电子电流分开分开剩空穴剩空穴原子带正电原子带正电吸引相邻原吸引相邻原子价电子填子价电子填补空穴补空穴好像空穴在运动好像空穴在运动正电荷）正电荷）外加电压外加电压空穴电流空穴电流与金与金属导属导电的电的区别区别硅原子硅原子自由电子自由电子3.自由电子和空穴的形成自由电子和空穴的形成硅原子硅原子载流子载流子:自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴

5、都称为载流子。共价键共价键价电子价电子5.1.1 本征半导体本征半导体半导体中的自由电子和空穴总是成对半导体中的自由电子和空穴总是成对出现出现,同时又不断进行复合。在一定温同时又不断进行复合。在一定温度下度下,载流子的产生与复合会达到动态载流子的产生与复合会达到动态平衡平衡, 载流子便维持一定数目。载流子便维持一定数目。半导体两端加外电压时半导体两端加外电压时, ,半导体中出现两部分电流：半导体中出现两部分电流：一是自由电子作定向运动所形成的电子电流；一是自由电子作定向运动所形成的电子电流；一是被原子核束缚价电子填补空穴所形成的空穴电流一是被原子核束缚价电子填补空穴所形成的空穴电流。温度愈高温

6、度愈高,载流子数目就愈多载流子数目就愈多,导电性导电性能就愈好能就愈好温度对半导体器件性能温度对半导体器件性能影响很大。影响很大。5.1.2 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 在常温下在常温下, ,本征半导体的两种载流子数量还是极少的本征半导体的两种载流子数量还是极少的, ,其其导电能力相当低。导电能力相当低。如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素, ,将得到掺杂半导将得到掺杂半导体体, ,而掺杂半导体的导电能力将大大提高。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由于掺入杂质元素的不同, ,掺杂半导体可分为两大类掺杂半导体可分为两大类NN型

7、半导体和型半导体和P P型半导体。型半导体。1.N型半导体型半导体在本征半导体中掺入微量磷在本征半导体中掺入微量磷( (或五价元素或五价元素),),不改变原子的晶不改变原子的晶体结构体结构, ,只是某些位置的硅原子被磷原子取代只是某些位置的硅原子被磷原子取代, ,磷原子与周围磷原子与周围四个硅原子形成共价键后四个硅原子形成共价键后, ,磷原子的外层电子数将是磷原子的外层电子数将是9,9,比稳比稳定结构多一个价电子。定结构多一个价电子。1.N型半导体型半导体P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余多余电子电子掺入磷杂质的半导体中掺入磷杂质的半导体中,自由电子数目大量增加。自由电子自

8、由电子数目大量增加。自由电子导电是主要的导电方式导电是主要的导电方式,称为电子半导体或称为电子半导体或N型半导体型半导体,其中其中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。自由电子数比空穴是少数载流子。自由电子数比本征半导体中自由电子数多本征半导体中自由电子数多,空穴数比本征半导体中空穴数空穴数比本征半导体中空穴数少。少。2.P型半导体型半导体在本征半导体中掺入微量硼在本征半导体中掺入微量硼(三价元素三价元素)。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空空穴穴掺入硼杂质的半导体中掺入硼杂质的半导体中,空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴的数目远大于自由电子的数目。空

9、穴为多数载流子空穴为多数载流子,自由电子是少数载流子自由电子是少数载流子,空穴导电是主要导空穴导电是主要导电方式电方式,称为空穴型半导体或称为空穴型半导体或P型半导体。型半导体。不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体型半导体,都只有一种载流子占都只有一种载流子占多数多数,然而整个半导体晶体仍是电中性的。然而整个半导体晶体仍是电中性的。5.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN空间电荷区空间电荷区根据浓度梯度根据浓度梯度,多数载流多数载流子将进行扩散运动。子将进行扩散运动。耗尽了载流子的交界处留耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间下不可移动的离子形成空间电荷区电荷区

10、;这空间电荷区就是这空间电荷区就是PN结结(内电场内电场)也称耗尽层。也称耗尽层。一块晶片的两边分别为一块晶片的两边分别为P P型半导体和型半导体和N N型半导体。型半导体。内电场阻碍了多子的继续扩散内电场阻碍了多子的继续扩散,推动少数载流子的漂移推动少数载流子的漂移运动运动,最终达到动态平衡最终达到动态平衡,空间电荷区即空间电荷区即PN结宽度一定。结宽度一定。P区区:空穴多空穴多自由电子少自由电子少N区区:空穴少空穴少自由电子多自由电子多内电场内电场PN结内电场的方向由结内电场的方向由N区指向区指向P区。区。1.PN结的形成结的形成 空间电荷区空间电荷区P区区N区区载流子的运动有两种形式：载

11、流子的运动有两种形式：扩散运动扩散运动: :由于载流子浓度梯度引起的多数载流子从高由于载流子浓度梯度引起的多数载流子从高浓度区向低浓度区的运动。浓度区向低浓度区的运动。漂移运动漂移运动: :少数载流子受内电场作用沿电场力方向的运少数载流子受内电场作用沿电场力方向的运动。动。耗尽层中载流子的扩散和漂耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平移运动最后达到一种动态平衡衡, ,这样的耗尽层就是这样的耗尽层就是PNPN结。结。5.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性5.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN+- -2. PN结的单向导电性结的单向导电性1).加正向电压加正向电压

12、将电源的将电源的 “+”接接P区、区、“-” 接接N区。区。内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向运动的动态平衡被破坏。运动的动态平衡被破坏。外电场外电场作用作用P P区空穴进入区空穴进入PNPNN N区电子进入区电子进入PNPNPNPN结内结内正负离正负离子被抵子被抵消消PN结变窄结变窄内电内电场弱场弱变窄变窄扩散增强扩散增强漂移变弱漂移变弱多子运动形成较大正向电流多子运动形成较大正向电流外电源不断提供电荷维持电流。外电源不断提供电荷维持电流。外电场愈强外电场愈强, ,正向电流愈大正向电流愈大, ,这时这时PNPN结电阻很低。结电阻很低。I2. PN结的单向导电性结的单向导电性2).加反向

13、电压加反向电压将外电源的正端接将外电源的正端接N区、负端接区、负端接P区。区。PN+内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向运动的动态平衡被破坏。运动的动态平衡被破坏。外电场外电场作用作用变宽变宽PNPN结结变宽变宽内电场内电场增强增强扩散难进行扩散难进行漂移增强漂移增强I0PNPN结电结电阻很高阻很高I0PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性, ,即正向导即正向导通、反向截止。通、反向截止。5.2 半导体二极管半导体二极管在一个在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来结的两端加上电极引线并用外壳封装起来,便构便构成一只半导体二极管成一只半导体二极管,简称二极管。简称二极管。5.2.1

14、 基本结构基本结构金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳 (a)点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N 型硅型硅阳极引线阳极引线PN 结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线 (b) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极 符号符号D二极管是由二极管是由PNPN结构成的结构成的, ,它也具有单向导电性。某种硅二它也具有单向导电性。某种硅二极管伏安特性如图示：极管伏安特性如图示：1.1.正向特性正向特性正向正向: :由死区电压分为死区和导通区。由死区电压分为死区和导通区。 ( (死区电压死区电压Si-0.5V,Ge-0.1V)Si-0.5V,Ge-0.1V)U(V)

15、0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)40200-0.5V:电压低电压低外电场外电场0.5V:电压高电压高外电场外电场内电场内电场内内电场大大削弱电场大大削弱正向电流大正向电流大导通。导通。导通压降导通压降: Si 0.60.7V,Ge 0.20.3V 5.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性死区死区导通区导通区死区电压死区电压击击穿穿区区截止区截止区: :反向电压小反向电压小漂移强漂移强( (少子少子)反向电流很小反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 (A)40202.反向特性：由击穿电压分为截止区和击穿区。反

16、向特性：由击穿电压分为截止区和击穿区。击穿区击穿区: :反向电压增大到一定值时反向电压增大到一定值时反向电流将突然增大反向电流将突然增大二极管失去二极管失去单向导电性单向导电性击穿击穿不可逆。不可逆。击穿电压击穿电压截止区截止区5.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的特性不仅用伏安曲线表示二极管的特性不仅用伏安曲线表示, ,也可用一些数据进行说也可用一些数据进行说明明, ,这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有：这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有：1.最大整流电流最大整流电流IOM :二极管长时间使用所允许通过的最大二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。当电

17、流正向平均电流。当电流IOM 时时,PN结过热而使管子损坏。结过热而使管子损坏。2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM:指二极管使用时允许加的最大指二极管使用时允许加的最大反向电压。一般为反向击穿电压的反向电压。一般为反向击穿电压的1/2至至2/3。3.反向峰值电流反向峰值电流IRM : 二极管加反向峰值电压时的反向电二极管加反向峰值电压时的反向电流值。受温度影响很大。流值。受温度影响很大。5.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数4.最高工作频率最高工作频率fM:二极管所能承受的外施电压的最高频率。二极管所能承受的外施电压的最高频率。 总之总之, ,温度对二极管特性有较大的影响温度对

18、二极管特性有较大的影响, ,随着温度的升高随着温度的升高, ,反向反向电流增大电流增大, ,正向压降减小。正向压降减小。 5.2.4 二极管的应用二极管的应用应用应用:整流、检波、限幅、元件保护、开关元件。整流、检波、限幅、元件保护、开关元件。电路分析电路分析: :二极管理想时二极管理想时, ,正向导通时压降为零正向导通时压降为零, ,非理想时非理想时, ,导通导通压降压降: Si 0.6: Si 0.60.7V,Ge 0.20.7V,Ge 0.20.3V ;0.3V ;反向截止时二极管为断反向截止时二极管为断开。开。因为因为VB VA, D2优先导通优先导通,D2导通后导通后,D1上加的是反

19、向电压上加的是反向电压,因而截止。因而截止。例例1:如图如图, 求输出端求输出端Y的电位的电位VY。AB0V3VR-12VYD1D2解：解：那么那么:VY=3V。D2起钳位作用起钳位作用,把把VY钳制在钳制在3V;D1起隔离作起隔离作用用,隔离输入隔离输入A和输出和输出Y。分析方法分析方法:将二极管断开将二极管断开,分析二极管两端电位的高低。分析二极管两端电位的高低。若若V阳阳V阴阴,二极管导通二极管导通;若若V阳阳V阴阴,二极管截止。二极管截止。例例2:2:在如图所示的电路中在如图所示的电路中, ,己知输入电压己知输入电压ui=10sintV,ui=10sintV,电源电源电动势电动势E=5

20、V,E=5V,二极管为理想元件二极管为理想元件, ,试画出输出电压试画出输出电压uouo的波形的波形。解解:当当ui5V时时,二极管二极管D截止截止,故输故输出电压与输入电压相等出电压与输入电压相等,即即uo= ui。当当ui 5V时时,二极管二极管D导通导通,则则uo=E=5V。输出电压被限制在。输出电压被限制在5V以内以内,二极管起限幅作用。波形如二极管起限幅作用。波形如图所示。图所示。1.如图如图,二极管二极管D1.D2为理想元件为理想元件,判断判断D1.D2 的工作状态为的工作状态为( )。(a). D1导通导通, D2截止截止 (b). D1 导通导通, D2导通导通 (c). D1

21、截止截止, D2导通导通 (d). D1截止截止, D2截止截止D1D215V12VR+-+-a2.半导体二极管的主要特点是具有（半导体二极管的主要特点是具有（ ）。）。 (a)电流放大作用电流放大作用 (b)单向导电性单向导电性(c)电压放大作用电压放大作用b5.3 稳压管稳压管稳压管稳压管: :是一种特殊的面接触型硅二极管。在电路中与适当是一种特殊的面接触型硅二极管。在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。稳压管的图形符号：稳压管的图形符号：5.3.1 稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20

22、-1030-12反向反向正向正向正常工作于反向击穿区正常工作于反向击穿区, ,电流在很大电流在很大范围内变化范围内变化, ,电压变化很小电压变化很小, ,即它能即它能起稳压的作用。反向击穿是可逆的起稳压的作用。反向击穿是可逆的。 在电路中稳压管是反向联接的。在电路中稳压管是反向联接的。UZIZ IZ UZIZM3.动态电阻动态电阻rZ:稳压管端电压和通过其电稳压管端电压和通过其电流的变化量之比。稳压管的反向伏流的变化量之比。稳压管的反向伏安特性曲线越陡安特性曲线越陡,则动态电阻越小则动态电阻越小,稳稳压效果越好。压效果越好。U(V)0I (mA)反向反向正向正向UZIZZZZUrI IZ UZ

23、5.3.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数1.稳定电压稳定电压Uz:指稳压管正常工作时的端电压。同一型号稳压指稳压管正常工作时的端电压。同一型号稳压管管UZ也不一定相等。也不一定相等。2.稳定电流稳定电流IZ:指稳压管工作电压等于稳定电指稳压管工作电压等于稳定电压时的工作电流。每种型号稳压管都规定压时的工作电流。每种型号稳压管都规定一个最大稳定电流一个最大稳定电流IZM,超过它超过它,易发生热易发生热击穿击穿(不可逆不可逆),稳压管损毁稳压管损毁,IZIZM 。IZM4.4.电压温度系数电压温度系数u :u :说明稳压值受温度影响的参数。温度说明稳压值受温度影响的参数。温度每变化一度时每变化

24、一度时, ,它的稳压值变化值它的稳压值变化值 。211tttu21()UUttU 特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。uuu5V06V7V0ZZZUUU 很很小小因此选用因此选用6V6V左右的稳压管左右的稳压管, ,具具有较好的温度稳定性。有较好的温度稳定性。5.3.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数5.5.最大允许耗散功耗最大允许耗散功耗PZM:PZM:保证稳压管不发生热击穿的最大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。功率损耗。其值为稳定电压和允许的最大电流乘积。ZMZZMPUI 例题例题1：如图：如图,通

25、过稳压管的电流通过稳压管的电流IZ等于多少？等于多少？解：解：UR=20-12=8VIZ=IR=8/1.6=5mAVBVE;PNPVCVBVE;PNP型型VCVBVEVCVB0,UBCVBVE;PNP型型UBE0,即即VCVBVE。(2).截止区截止区IB=0曲线以下的区域。曲线以下的区域。IC0,UCEUCC,截止时两个截止时两个PN结都反向偏置。结都反向偏置。NPN型型UBE0,UBC0,UBC0, b点电位最高。点电位最高。 2.输出特性曲线输出特性曲线放大区放大区截止区截止区IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120分为三个工作区：分为三个工作

26、区：2.输出特性曲线输出特性曲线当当UCE UBEUCE UBE时时, ,集电结和发射结处于正向偏置。集电结和发射结处于正向偏置。截止截止放大放大饱和饱和发射结发射结反偏反偏正偏正偏正偏正偏集电结集电结反偏反偏反偏反偏正偏正偏各种状态偏置情况：各种状态偏置情况： (3).饱和区饱饱和和区区放大区放大区截止区截止区IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120CBII 饱和压降用饱和压降用UCESUCES表示表示, ,对对NPNNPN型硅管型硅管,UCES0.3V,UCES0.3V。失去放大作用失去放大作用, ,即即,CSCCBSCIUIR BBSII 静态

27、电流放大系数静态电流放大系数:在静态在静态(无输入信号无输入信号)时时,CBII 动态电流放大系数动态电流放大系数:晶体管工作在动态晶体管工作在动态(有输入信号有输入信号)时时,CBII 5.4.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数1.电流放大系数电流放大系数 ，说明：说明：2).在输出特性曲线的等距平直部分在输出特性曲线的等距平直部分,IC=IB,也认为是恒定的。也认为是恒定的。3).由于制造工艺的原因由于制造工艺的原因,晶体管参数具有一定的离散性晶体管参数具有一定的离散性,即即使是同一型号的晶体管使是同一型号的晶体管,值也不完全相同。值也不完全相同。1). 和和的意义不同的意义不同,但大多

28、数情况下近似相等。但大多数情况下近似相等。 2.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO集电结反偏集电结反偏, ICBO是由少是由少数载流子的漂移运动所形数载流子的漂移运动所形成的电流成的电流,受温度的影响大受温度的影响大,越小越好。越小越好。 温度温度ICBOICBO A+EC3.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流(穿透电流穿透电流)ICEO AICEOIB=0+ ICEO受温度的影响大受温度的影响大,越越小越好。温度小越好。温度ICEO。5.4.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U(BR)CEO , UCEU(BR)CEO时时,ICE

29、O突然大幅度上升突然大幅度上升,晶体管会被击穿晶体管会被击穿损坏。损坏。6.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM, PCPCMIC流经集电结时将产生热量使结温上升流经集电结时将产生热量使结温上升,从而引起晶体管参从而引起晶体管参数的变化。当参数变化不超过允许值时数的变化。当参数变化不超过允许值时,集电极所消耗的最集电极所消耗的最大功率称为大功率称为PCM。因此。因此PCM主要受结温主要受结温T j制约。制约。 PCM=ICUCE5.4.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数4.集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM当当IC超过一定值时超过一定值时,值将下降值将下降,当当值下降到正常值的值下降到正常值的2/3时时IC。ICICMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO安全工作区安全工作区:ICM ,U(BR)CEO, PCM共同组成的区域。共同组成的区域。5.4.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数.ICBO.ICEO表明表明管管子优劣的主要指标。子优劣的主要指标。 ICM、U(BR)CEO和和PCM是极限参数。是极限参数。bec2.7V2V2.3V是是( )型（型（ ）管）管,工作在（工作在（ ）状态。）状态。bec-7.8V-3V-8.5V是是( )型（型（ ）管）管,工作在（工作在（ ）状态。）状态。bec3.5