第2章半导体器件基础

问题：1.常用电子器件有哪些？2.这些器件有什么特点？主讲:章春娥第2章二极管及其典型应用第2章二极管及其典型应用2.1半导体基础知识2.2PN结2.3二极管的结构与类型2.4二极管典型应用电路2.1半导体基础知识一、半导体的特性二、本征半导体三、杂质半导体一、半导体特性何谓半导体？物体分类导体—

导电率为105s.cm-1，量级，如金属绝缘体—

导电率为10-22-10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。—

导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。半导体

半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光敏器件光电器件二、本征半导体及半导体的能带本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体+4晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子结构简化模型价电子正离子注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。锗晶体的共价键结构示意图半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为空穴导带自由电子定向移动形成电子流本征半导体的原子结构和共价键结构共价键内的电子称为束缚电子价带禁带EG外电场E束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流12二、本征半导体及半导体的能带（续）挣脱原子核束缚的电子称为自由电子热激发、本征激发1.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴它们是成对出现的2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同空穴始终在价带内运动二、本征半导体及半导体的能带（续）3.本征半导体在热力学温度0K和没有外界能量激发下，不导电。本征半导体的载流子的浓度电子浓度ni

:表示单位体积的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积的空穴数。A0—与材料有关的常数EG—禁带宽度，能量度量T—绝对温度K—玻尔曼常数结论1.本征半导体中电子浓度ni=空穴浓度pi

2.载流子的浓度与T、EG有关

二、本征半导体及半导体的能带（续）

载流子的产生与复合g——载流子的产生率即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R——载流子的复合率即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时g=R

R=r

nipi

其中r—复合系数，与材料有关二、本征半导体及半导体的能带（续）三、杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。

掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。

掺入的五价元素如P（磷）、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。

N型半导体在本征半导体中掺入的五价元素如P。价带导带+++++++施主能级自由电子是多子空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。三、杂质半导体（续）

P型半导体在本征半导体中掺入的三价元素如B。价带导带-------受主能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。三、杂质半导体（续）杂质半导体（续）

杂质半导体的载流子浓度

因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不变，在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数，即存在如下关系。n·p=ni·pi=ni2=C

在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变，并等于ni2

。N型半导体：施主杂质的浓度ND

n表示总电子的浓度

p表示空穴的浓度n

=p+ND≈ND（施主杂质的浓度>>p）P型半导体：NA表示受主杂质的浓度，

n表示电子的浓度

p表示总空穴的浓度p=n+NA≈NA

（受主杂质的浓度>>n）2.2PN结一、PN结的形成二、PN结的接触电位差三、PN结的伏安特性四、PN结电容五、PN结的反向击穿六、PN结的光电效应与电致发光一、PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡3耗尽层=PN结导电性能？内电场阻止多子扩散

因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。漂移运动少子向对方漂移,称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN结稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层。一、PN结的形成（续）内电场U内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成可以使PN结导电的接触电位U接触电位U决定于材料及掺杂浓度二、PN结的接触电位差硅：U=0.6～0.7V锗：U=0.2～0.3V三、PN结的伏安特性1.PN结加正向电压时的导电情况

外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响(高于接触电位)。

PN结呈现低阻性，处于导通状态。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内4外2.PN结加反向电压时的导电情况

外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。

PN结呈现高阻性，近似认为截止状态。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；内5外三、PN结的伏安特性（续）

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。小结：

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。67三、PN结的伏安特性（续）问题：有必要加电阻R吗？式中Is反向饱和电流，10-8~10-14A；

UT=kT/q温度电压当量

k波尔兹曼常数；q为电子的电量；

T=300k（室温）时UT=26mvPN结两端的电压与流过PN结电流的关系式由半导体物理可推出：当加反向电压时：当加正向电压时：(U>>UT)三、PN结的伏安特性（续）3.PN结电流方程当加反向电压时：当加正向电压时：(U>>UT)三、PN结的伏安特性（续）结电流方程IU四、PN结电容势垒电容CB

当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。四、PN结电容（续）注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。扩散电容CD

外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。五、PN结的反向击穿反向击穿：PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生。击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生。不可逆击穿—热击穿。PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。小结：

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。67三、PN结特性总结一、晶体二极管的结构类型二、晶体二极管的伏安特性三、晶体二极管的等效电阻四、光电二极管五、发光二极管六、稳压二极管七、变容二极管2.4、二极管的典型应用2.3二极管的结构与类型一、晶体二极管的结构类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，IU1.当加正向电压时PN结电流方程为：2.当加反向电压时I

随U↑，呈指数规律↑I=-Is

基本不变二、晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。

加反向电压时，反向电流很小。Is硅(nA)<Is锗(A)

硅管比锗管稳定。当反压增大到VBR时再增加，反向激增，发生反向击穿，VBR称为反向击穿电压。实测伏安特性①②③二、晶体二极管的伏安特性（续）材料门限电压导通电压Is/μA硅0.5～0.6V0.7V<0.1锗0.1～0.2V0.3V几十非线性电阻直流电阻R(也称静态电阻）交流电阻r（又称动态电阻或微变电阻）1.直流电阻及求解方法定义二极管两端的直流电压UD与电流ID之比IDIUUDD三、晶体二极管的等效电阻三、晶体二极管的等效电阻(续）直流电阻的求解方法：借助于静态工作点Q（IQ，UQ）来求。IDEDDRLUD方法一：解析法列写二极管电流方程和电路方程：解方程组，得到二极管静态工作电流IQ和电压UQ，三、晶体二极管的等效电阻(续）方法二：图解法IDEDDRLUDIUU=ED-IRL绘制直流负载线U=0I=ED/RLI=0U=EDED/RLEDQIQUQ由静态工作点Q点得IQ和UQ，从而求出直流电阻直流负载线与伏安特性曲线的交点由电路可列出方程：2.交流电阻rD的计算方法RLEDDUIQUUI室温（T=300K）下,UT=26mV。交流电阻：r=26mV/IQ

(mA)定义：注意:交流电阻rD与其静态工作点Q有关。说明：二极管正偏时，rD很小（几至几十欧姆）二极管反偏时，rD很大（几十千至几兆欧姆）。四、光电二极管1定义：有光照射时，将有电流产生的二极管。2类型：PIN型、PN型、雪崩型3结构：和普通的二极管基本相同4工作原理：利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子—空穴对，在外电场的作用下形成光生电流。DEDDRLUDIP注意：应在反压状态工作光电二极管1.定义：将电能转换成光能的特殊半导体器件。3.常用驱动电路：直流驱动电路交流驱动电路普通发光二极管红外发光二极管……2.类型五、发光二极管4.工作原理：当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光。注意：发光二极管在加正向电压时才发光。六、稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压特性：在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变。正向部分与普通二极管相同。工作区在反向击穿区RZUZ特性参数：1.稳定电压VZ:反向击穿电压。2.最大工作电流Izmax:受耗散功率的限制，使用时必须加限流电阻。避免热击穿！稳压二极管特性参数：1.稳定电压VZ:2.最大工作电流Izmax:3.动态电阻，RZ很小，十几欧姆~几十欧姆。稳压管使用方法：稳压二极管在工作时应反接,并串入一只电阻。电阻R的作用：一是起限流作用，以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。六、稳压二极管（续）Z七、变容二极管

利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。符号：注意：使用时，应加反向电压。半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：附录半导体二极管图片附录半导体二极管图片附录半导体二极管图片附录~220Ve2iDuL应用一：整流电路整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路。半波整流u2E2m+-iDuL~220Vu2iDuL+-2.4、二极管的典型应用半波整流输出电压平均值为UDC设：u2是输入信号电压，U2是u2的有效值，E2m是u2的最大值E2m设全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLu2′u2u2uL2.4二极管的典型应用（续）桥式整流~220Vu2uL+-~220Vu2uL+-u2uLUDC≈0.9U22.4二极管的典型应用（续）u2>0时u2<0时应用二：LED显示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共阳极电路共阴极电路控制端为高电平对应二极管发光控制端为低电平对应二极管发光e2.4二极管的典型应用（续）应用三：稳压电路。工作原理：利用稳压二极管提供稳定的直流电压。第八章重点介绍2.4二极管的典型应用（续）应用四：限幅电路。工作原理：利用二极管单向导电性，限定输出信号的幅度。2.4二极管的典型应用（续）应用五：钳位电路。结论：利用二极管和电容，把一个双向的周期信号信号转变为单向的信号，并保持原信号波形的电路。工作原理：当输入ui>0时，二极管瞬间导通，C快速充电，Uc=V1，充电结束，R无电流，输出uo=0.

当输入ui<0时，二极管截止，C放电缓慢，输出uo=-Uc+ui=-V1-V2。小结

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都可以改变半导体的导电性能。利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。

PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。晶体二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能常用二极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述。即二极管两端的电压和流过的电流满足I=Is(eU/UT-1)。硅管：当UD>0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当UD>0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。晶体二极管基本用途是整流/稳压和限幅等。半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光