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1、模拟电子技术 (第2版),第1章 常用半导体器件,第1章 常用半导体器件,第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.1 半导体基础知识,自然界中容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。 几乎不导电的物质称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、惰性气体和石英等。 导电特性介于导体和绝缘体二者之间的物质称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,1.1 半导体基础知识,半导体具有不同于其他物质的导电机理和特点，例如： 当受到外界热和光的作用时，它的导电能力将明显地发生变化; 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,1.1 半导体基础知识,半导体的共价键结构 现代电子学中，
2、用的最多的半导体是硅（+14）和锗（+32），它们最外层的价电子都是四个。,将纯净的硅或锗半导体经过一定的工艺过程制成的晶体，即为具有共价键结构的本征半导体。,共价键形成的共用 电子对,“+4”的圆圈表示除价电子外的正离子,一、本征半导体,1.1.1 本征半导体,常温下，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，很难脱离共价键成为自由电子，本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,晶体形成后，每个原子的最外层电子相当于是8个，构成稳定结构，其共价键具有很强的结合力。,1.1.1 本征半导体,1.1.1 本征半导体,二、本征半导体的激发和复合,在绝对0度（T=0K）
3、和没有外界影响时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于温度升高或光照，使某些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键中留下相同数量的空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,1.1.1 本征半导体,自由电子,空穴,束缚电子,半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。,1.1.1 本征半导体,2.本征半导体的导电机理,当共价键中形成空穴时，相应原子就带有正电，从而吸引邻近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是带正电
4、荷的载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,1.1.1 本征半导体,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 自由电子移动产生的电流、 空穴移动产生的电流。,01,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导
5、体，也称为（电子半导体）。,1.1.2 杂质半导体,一、N 型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的五价元素（如磷），使之取代晶体中的某些硅或锗原子的位置，就形成了N 型半导体。磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子不受共价键的束缚，很容易被激发而成为自由电子。而磷原子在晶体中成了不能移动的带正电的离子。掺杂浓度越高，自由电子的浓度越高，导电性能也就越强。,1.1.2 杂质半导体,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由掺杂原子提供的自由电子浓度与掺杂浓度相同。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子
6、称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,2.本征激发产生的自由电子、空穴对。,N 型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。,1.1.2 杂质半导体,二、P 型半导体 在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的三价元素（如硼），使之取代晶体中的某些硅或锗原子的位置，就形成了P 型半导体。硼原子的最外层有三个价电子，与周围的硅或锗原子形成共价键时，就相应产生了一个空穴。而硼原子在晶体中成为了不能移动的带负电的离子。掺杂浓度越高，空穴的浓度越高，导电性能也就越强。,1.1.2 杂质半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。,1.1.2 杂质半导体,三、杂质半导体的示意表示法,P
7、 型半导体,N 型半导体,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,1.1.3 PN结及其单向导电特性,一、 PN 结的形成,采用不同的掺杂工艺，将P 型半导体和N 型半导体制作在同一块半导体基片上，在它们的交界面就形成了PN 结。,由于浓度差会产生多子的扩散运动，由于自由电子和空穴的复合，在P 型半导体和N 型半导体交界面附近会形成空间电荷区，从而形成内电场。内电场力，一方面会阻止扩散运动的进行，另一方面会推动少子产生漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的厚度相对固定，PN结形成。,1.1.3 PN结
8、及其单向导电特性,P型半导体,N型半导体,多子扩散运动,内电场E,少子漂移运动,多子扩散运动使空间电荷区变宽，内电场加强。,内电场越强，漂移运动越强。少子漂移运动使空间电荷区变窄。,空间电荷区， 也称耗尽层。,1.1.3 PN结及其单向导电特性,空间电荷区中没有载流子，故又称为耗尽层。,注意:,空间电荷区中形成的内电场，阻碍多子（P区中的空穴、N区中的电子）的扩散运动；推动少子（P区中的电子、N区中的空穴）的漂移运动。,P区中的电子（少子）和N区中的空穴（少子），数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。,1.1.3 PN结及其单向导电特性,二、 PN结的单向导电特性 当外加电压极性不同时， P
9、N 结表现出截然不同的导电性能，即呈现出单向导电特性。,当PN 结加上的偏置电压使P端的电位高于N端的电位，即PN 结正向偏置（简称正偏）时， PN 结处于导通状态。,当PN 结加上的偏置电压使P端的电位低于N端的电位，即PN 结反向偏置（简称反偏）时， PN 结处于截止状态。,1.1.3 PN结及其单向导电特性,PN 结正偏时 ， 外电场将多子推向空间电荷区，使其变窄，内电场被削弱，从而使扩散运动加强、漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动不断地进行，从而形成正向电流， PN 结处于导通状态。,PN 结反偏时 ， 外电场使空间电荷区变宽，内电场被加强，从而阻止了扩散运动、加剧了漂移运动的进行
10、，形成反向电流，也 称漂移电流。因为少子的数量极少，反向电流非常小，可以认为PN 结处于截止状态。,1.1.3 PN结及其单向导电特性,1、PN 结正向偏置,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,1.1.3 PN结及其单向导电特性,2、PN 结反向偏置,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,动画演示,1.1.3 PN结及其单向导电特性,1.1 课堂提问和讨论,1、PN结是什么？,2、PN结有什么重要特性？,1.2 二极管,1,1.2.1 二极管的结构及图形符号,电路符号,实际二极管的照片,1.2.1 二极管的结构及符号,PN
11、结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,二极管的电路符号：,1.2.1 二极管的结构及图形符号,1.2.1 二极管的结构及图形符号,PN 结方程,e为自然对数的底，e2.718,VT为温度的电压当量， T300 K（即室温27）时，VT26mV,iD和vD的方向从阳极指向阴极,Is为反向饱和电流，分立器件典型值约为10-810-14A,（1.2.1）,1.2.2 二极管的伏安特性,1、 正向特性,死区：当外加正向电压vD较小， iD几乎为零的区域。 阀值电压VD(th) : iD随着 vD微小增加迅速增长的二极管导通门槛电压。 正向导通电压VF :二极管正向导通后、正常工作
12、时，几乎不变的导通电压，硅管约为0.60.8V、锗管约为0.20.3V 。 正向导通压降VD(on) :二极管正向导通后、正常工作时，几乎不变的理想电压。,1.2.2 二极管的伏安特性,2、 反向特性,反向电流IR ：当外加反向电压vD数值较小，二极管未被反向击穿时的反向电流值。由于数值几乎不变，亦称反向饱和电流，小功率硅管在nA数量级，小功率锗管在A数量级 。,3、 反向击穿特性,反向击穿电压VBR ：当外加反向电压数值增加使反向电流剧增，二极管呈现反向击穿状态时，所对应的反向电压数值。由于PN 结已被击穿，故此段伏安特性不适用于式（1.2.1）。,1.2.2 二极管的伏安特性,4、 温度对
13、二极管特性的影响,综上所述， 二极管在外加电压大于VD(on) 时正向导通，小于VD(on) 时截止，具有单向导电的特性。,二极管是温度的敏感元件。温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动，相对于同一正向电流的正向压降减小；反向特性曲线向下移动，反向电流增大。,1.2.2 二极管的伏安特性,温度对二极管特性曲线的影响 （2AP22）,1.2.2 二极管的伏安特性,变化的规律,为保证二极管正常工作，一般硅管所允许的最高PN结温度约为150200，锗管所允许的最高PN结温度约为75100。,在室温附近，iD一定时，温度每升高1，正向压降约减小2.5mV；温度每升高10，反向电流约增大一倍。,1.2
14、.2 二极管的伏安特性,1.2.3 二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IFM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压VRM,允许施加在二极管两端的最高反向电压，若超过此值二极管就有可能被反向击穿。一般给出的VRM是反向击穿电压 VBR的一半，以确保二极管安全工作 。,1.2.3 二极管的主要参数,3. 反向电流 IR,常温下，二极管未被击穿时的反向电流。反向电流越小，则单向导电性和温度稳定性越好。锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,反映二极管PN结电容效应的等效参数。rD表示PN结的交流微变等效电阻，Cj表示结电容。,4.二极管的结电容Cj,PN结
15、的高频等效电路,5. 最高工作频率fM,主要由PN结电容的大小决定的二极管工作的上限截止频率。,二极管的工作频率超过此值时，结电容的容抗将变得很小，使二极管反偏时的等效阻抗变得很小，从而使二极管可能失去单向导电性。 点接触型二极管fM可达数百MHZ，面接触型硅整流二极管fM只有3KHZ左右。,1.2.3 二极管的主要参数,特别要注意!二极管工作时其电路参数不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则二极管容易损坏。,1.2.3 二极管的主要参数,1.2.4 二极管的简易测试,1. 用指针式万用表检测普通小功率二极管,检测示意图,检测手法示意图,1.2.4 二极管的简易测试,2. 用数字式万用表
16、检测普通小功率二极管（DT-830 ）,选择“二极管”档位，将红座表笔插入“V” 孔，黑座表笔插入“COM”插孔。开路电压的典型值为2.8V，测试电流为10.5mA。测量时，红座表笔应连接二极管的阳极，黑座表笔应连接二极管的阴极。测量结果应显示三位数字，为二极管正向压降近似值。,在正向接入时，锗管应显示0.1500.300V的正向压降数值，硅管应显示0.5500.700V的正向压降数值；若显示高位的超量程符号“1”，则表示二极管内部断路或二极管极性接反；若显示全零，则表示二极管内部短路。,1.2.4 二极管的简易测试,与指针式万用表不同的是：数字万用表，红座表笔连接表内电池的正极，黑座表笔连接表内电池的负极。,1.2.4 二极管的简易测试,1.2 课堂提问和讨论,如何使用指针式万用表检测普通小功率二极管？（检测的实质、注意的事项、检测的方法）。,什么是二极管的正向偏置和反向偏置？ 二极管有什么重要特性？ 温度对二极管的特性有哪些影响？,工程中，普通小功率二极管正向导通压降VD(on)
