第5章--电子技术中常用半导体器件

1、电工电子学,讲课教师：杜鹃,半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。,5.1.1 PN结,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。,5.1晶体二极管,热激发产生自由电子和空穴,室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。,在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。,每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密

2、结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。,1半导体的导电特征,空穴运动,有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴，热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量

3、自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。,N型半导体,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强。,P型半导体,在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子

4、）,无论是P型还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发产生的，其数量决定于温度。,2PN结及其单向导电性,PN结的形成,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。,多子扩散,形成空间电荷区产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定

5、宽度的PN结,外加正向电压（也叫正向偏置）,PN结的单向导电性,外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。,外加反向电压（也叫反向偏置）,外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。,PN结及其单向导电性,外加正向电压 （也叫正向偏置）,外加反向电压 （也叫反向偏置）,PN结导通,PN结截止,半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别：金属导体中只有一种载流子自由电

6、子参与导电，半导体中有两种载流子自由电子和空穴参与导电，而且这两种载流子的浓度可以通过在纯净半导体中加入少量的有用杂质加以控制。,杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子。若掺杂的是五价元素，则由于多电子形成N型半导体：多子是电子，少子是空穴；如果掺入的是三价元素，就会由于少电子而构成P型半导体。 P型半导体的共价键结构中空穴多于电子，且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补，因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式，所以多子是空穴，少子是电子。,N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。

7、,由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区。扩散作用越强，耗尽层越宽。,2. 半导体在热（或光照等 ）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会 “跳进”另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子空穴对被“吃掉”。在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定 。,1. 半导体中的少子虽然浓度很低 ，但少子对温度非常敏感，即温度对半导体器件的性能

8、影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温度影响。,4. PN结的单向导电性是指：PN结的正向电阻很小，因此正向偏置时电流极易通过；同时PN结的反向电阻很大，反向偏置时电流基本为零。,问题探讨,3. 空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就是说，空间电荷区对扩散电流呈现高阻。,5.1.2 二极管的特性和主要参数,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。,参看二极管的实物图,（1）正向特性,外加正

9、向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 。 正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。,外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。,（2）反向特性,二极管的伏安特性,普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成“热击穿”，热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿，这两种击穿不会从根本上损坏二极管，而热击穿将使二极管永久性损坏。,讨论,PN结击穿现象包括哪些？击穿是否意味着二极管的永久损坏？,反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧增，这

10、种现象称为二极管的反向击穿。,反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。,雪崩击穿：PN结反向电压增加时，空间电荷区内电场增强。通过空间电荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与晶体中其它 原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，再通过碰撞其它原子，又产生电子空穴对，从而形成载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值，载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩一样，突然使反向电流

11、急剧增大，发生二极管的雪崩击穿。,齐纳击穿：在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为210V/cm，这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高，致使PN结产生雪崩击穿。,齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏。,二极管的电路模型,欧姆定律：US=UD+RID,二极管的静态电阻RD=UQ/IQ 静态电阻随工作电流的变化而变化,微变电阻 rD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的

12、变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,二极管的折线近似模型,实际伏安特性曲线,I,U,UON,P,Q,二极管的应用举例1：二极管半波整流,二极管的应用举例2：,二极管的应用举例3：,分析下图中D1和D2的工作情况，并求I值。 （设二极管导通时的正向压降为0.7V）,稳压管工作在PN结反向击穿状态。稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。击穿状态下不会因过热而损坏。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。,稳压二极管,稳压管实物图,由图可见，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“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随

13、反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。,注意：,稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流值，以保证管子不会造成热击穿。,稳压管的主要参数： （1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。 （2）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。 （3）动态电阻rZ：稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即： rZ=UZ/IZ （4）耗散功率PZM和最大稳定电流IZM。额定耗散功率PZM是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。IZM是指稳压管允许通过的最大电流。二者关系可写为：

14、PZM=UZIZM,讨论,回顾二极管的反向击穿时特性：当反向电压超过击穿电压时，流过管子的电流会急剧增加。 击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。 在反向击穿状态下，让流过管子的电流在一定的范围内变化，这时管子两端电压变化很小，利用这一点可以达到“稳压”的效果。,5.2双极型晶体管,5.2.1 三极管的结构及类型,半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-

15、P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。,基极(base),PNP型,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大，掺杂浓度低,发射区：掺 杂浓度较高,由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为NPN管。还有一种与它成对偶形式的，即两块P型半导体中间夹着一块N型半导体的管子，称为PNP管。晶体管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。这样的结构才能保证晶体管具有电流放大作用。,左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。其中，直流电压源UCC应大于UBB，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变

16、可调电阻RB，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化。,晶体管电流放大的条件：,晶体管内部： a）发射区杂质浓度基区集电区； b）基区很薄。 晶体管外部： 发射结正偏，集电结反偏。,5.2.2 电流放大原理,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,晶体管的电流放大原理：,1、发射区向基区扩散电子的过程： 由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。,2、电子在基区的扩散和复合过程： 由

17、于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。,实验表明： IC比IB大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。,3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程： 由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。,各极电流关系,KCL定律,IC与IB之比称为直流电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须

18、使发射结正偏，集电结反偏。,电流放大系数,5.2.3三极管的特性曲线,一、输入特性,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,二、输出特性,截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 集电极和发射极之间相当于开路，断开状态的开关,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关。,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 IC = IB， 为交流放大系数。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB

19、IC，UCE0.3V称为饱和区。,饱和区：发射结正偏，集电结正偏，UCEUBE 即： UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V，接通状态,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC= IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,例： =50， USC =12V， RB =70k，

20、 RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,当USB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。,USB =2V时：,USB =5V时:,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,5.2.4 主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地