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1、第5章 半导体器件,5.1 半导体的导电特性 5.2 P N结 5.3 半导体二极管 5.4 三极管 5.5 场效应管,返回,. 半导体的导电特性,. 本征半导体 现代电子学中,用得最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个.图-所示为硅和锗的原子结构图.通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体.在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,称为晶格结构,即每个原子都处在正四面体的中心,而四个其他原子位于四面体的顶点,如图- (a)所示.其平面结构如图- (b)所示. 纯净的、不含杂质的而且晶格结构完整的半导体经过一定的工艺制成单晶半导体称为本征半导体. 在 硅和锗晶体中,原子按
2、一定的距离在空间有规律的排列.各原子之间靠得很近,每个原子最外层的个价电子不仅受自身原子核的作用,还受到相邻原子核的作用,成为共有电子.一般把两个原子结合时通过形成共有电子对而产生的化学键称为共价键.锗和硅就是共价键结构,如图-所示.,下一页,返回,. 半导体的导电特性,晶体中的共价键具有很强的结合力,在热力学温度TK 下,且没有其他外界能量激发时,本征半导体的所有价电子都束缚在共价键中,没有可以自由移动的载流子(带电粒子),因此不导电.在获得一定热激发(温度升高或受光照)后,价电子挣脱共价键的束缚成为带负电的自由电子,同时在原共价键位置上留下一个带正电荷的空位,称为空穴(图-).原子因失掉一
3、个价电子而带正电,或者说空穴带正电.在本征半导体中,自由电子和空穴是成对出现的. 在没有外加电场作用时,自由电子和空穴的运动是无规则的,没有定向运动,也不会形成电流.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.,上一页,下一页,返回,. 半导体的导电特性,若在本征半导体两端外加一电场,自由电子可以在电场作用下定向移动形成电子电流,其方向与电场方向相反;同时由于空穴的存在,邻近共价键中的价电子很容易移动过去填补这个空穴,从而使空穴转移到邻近的共价键中去,而后,新的空穴又被其相邻的价电子填补,相当于空穴在运动,因此把空穴视为带正电荷的粒子.这种空穴移动等效于带正电荷的粒子做定向运动,因
4、而也可以形成电流,即空穴电流,其方向与电场方向相同.由此可见半导体中存在两种载流子,即带电荷q 的空穴和带电荷q 的自由电子.本征半导体中的电流是两个电流之和.这是半导体导电的特殊性质. 自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合.在一定温度下,本征激发与复合达到动态平衡,载流子的浓度也稳定.当环境温度升高时,热运动加剧,载流子的浓度升高,因而必然使得导电性能增强.本征半导体的导电性能很差,且与环境温度密切相关.半导体材料性能对温度的这种敏感性,既可以用来制作热敏和光敏器件,又是造成半导体器件温度稳定性差的原因.,上一页,下一页,返回,. 半导体的导电特性
5、,. 杂质半导体 本征半导体是无法用于制造电子器件的.在本征半导体中通过扩散工艺掺入一定量的杂质,会极大地改变半导体的导电特性,这就是杂质半导体.根据掺入杂质的不同,杂质半导体可以分为N 型半导体和P型半导体. N型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体.磷原子的个价电子中的个与周围的硅原子形成共价键结构,而剩下的个价电子只需花费很小的能量就可以挣脱原子核的束缚成为自由电子.在常温下,每一个杂质原子都能释放出一个自由电子,自由电子总浓度将远远超过空穴浓度成为多数载流子,简称多子.大量的自由电子增加了与空穴复合的概率,使空穴浓度大大降低,成为
6、少数载流子,简称少子.,上一页,下一页,返回,. 半导体的导电特性,由于多数载流子是带负电的电子,因此被称为N (Negative)型半导体.五价杂质原子提供一个自由电子,因此被称为施主原子或施主杂质.其晶体结构如图- (a)所示. P型半导体 把少量三价元素(如硼)掺入四价元素(如硅)中,使之取代晶格中硅原子的位置,就构成了P型半导体.硼原子的个价电子与周围的硅原子形成共价键结构时还缺少一个电子,就产生了一个“空位”(空位为电中性).周围硅原子中的价电子只要花费较少的能量就可以挣脱硅原子的束缚填补到硼原子上,使硼原子电离,并在周围的硅原子中产生了一个空穴,得到一个电子的硼原子成为负离子.在常
7、温下,每一个杂质原子都能在周围硅原子中产生一个空穴.当杂质浓度远远超过本征半导体热平衡载流子浓度时,空穴总浓度也将远远超过自由电子浓度成为多数载流子.大量的空穴增加了与自由电子复合的概率,使自由电子浓度大大降低,成为少数载流子.,上一页,下一页,返回,. 半导体的导电特性,由于多数载流子是带正电的空穴,因此被称为P (Positive)型半导体.三价杂质元素由于吸收一个价电子,因此被称为受主原子或受主杂质.其晶体结构如图- (b)所示. 从以上分析可知,对杂质半导体,多子的浓度越高,少子的浓度就越低.多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度,因而它受温度的影响很小;而少子是本征激发产生的,所以尽管其
8、浓度很低,但对温度非常敏感,这将影响半导体器件的性能.,上一页,返回,. PN 结,. PN 结的形成 .扩散运动 当两种杂质半导体刚接触时,在交界面两种载流子的浓度差较大,产生扩散运动,P区的空穴必然向N 区扩散,且N 区的自由电子必然向P区扩散,形成扩散电流.同时在交界面附近自由电子与空穴复合使得多子的浓度下降,P区出现负离子区,N 区出现正离子区, 它们是不能移动的,称为空间电荷区.它的电阻率很高. 随着扩散运动的进行,空间电荷区加宽,内电场增强,其方向由N 区指向P区.正好阻止扩散运动的进行.PN 结的形成示意图如图-所示.,下一页,返回,. PN 结,.漂移运动 在电场力作用下,载流
9、子的运动称为漂移运动. 当空间电荷区形成后,在内电场的作用下,少子产生漂移运动,空穴从N 区向P区漂移,自由电子从P区向N 区漂移,形成漂移电流. 漂移运动使空间电荷区变窄,其作用正好与扩散运动相反. 扩散运动和漂移运动达到动态平衡,形成PN 结.此时扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反,流过PN 结的总电流为零.,上一页,下一页,返回,. PN 结,. PN 结的单向导电性 PN结外加正向偏置电压时处于导通状态 当外加电压的正极接P区,负极接N区时,称PN结上的偏置为正向偏置.由于电源的作用,扩散运动源源不断地进行,多数载流子向空间电荷区运动,使其变窄,削弱了内电场,漂移运动减弱.从而形成正
10、向电流,PN结呈现低电阻,处于导通状态,如图- (a)所示.PN结导通时的结压降只有零点几伏,应串联一个限流电阻,防止PN结因正向电流过大而损坏. PN结外加反向电压时处于截止状态 当电源的正极接到N 端,负极接到P端,称PN 结外加反向电压,如图- (b)所示.此时外电场使空间电荷区变宽,加强了内电场,阻止扩散运动的进行,而加剧了漂移运动的进行,形成反向电流,也称为漂移电流.因为少子数目极少,反向电流也非常小,所以在近似分析中常将它忽略不计,认为PN 结外加反向电压时处于截止状态.,上一页,返回,. 半导体二极管,. 基本结构 将PN 结用外壳封装起来,并加上电极引线就构成了半导体二极管.由
11、P区引出的电极为阳极,由N 区引出的电极为阴极.常见的外形如图-所示.二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类. ()点接触型:由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接,形成PN 结.因PN 结面积小,不能通过较大的电流,但其结电容较小,因此适用于高频电路和小功率整流.点接触型二极管如图- (a)所示. ()面接触型:采用合金法工艺制成,其结面积大,能够流过较大的电流,但其结电容大,因而只能在较低频率下工作,一般仅作为整流管.面接触型二极管如图- (b)所示.,下一页,返回,. 半导体二极管,()平面型:采用扩散法制成,其结面积较大的可用于大功率整流,结面积小的作为脉冲数字电路中的开关
12、管.平面型二极管如图- (c)所示. 二极管的符号:如图- (d)所示. . 二极管的伏安特性 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,如图-所示. 从二极管的伏安特性可以反映出正向电压很小时,正向电流几乎为零;当正向电压增大一定值UON (开启电压或死区电压)时,正向电流按指数规律增加,导通电压变化不大.这时二极管具有良好的导电性.表-列出了硅、锗二极管的伏安特性.,上一页,下一页,返回,. 半导体二极管,在反向电压作用下,反向电流很小,约等于IS (反向饱和电流),不再随电压变化.这时导电性能极差,可近似认为不导电.这表明二极管具有单向导电性.当温度升高时,反向电流因是少子漂移运动形成会
13、随之变大.而当反向电压较高时,反向电流突然增大表明二极管失去单向导电性发生击穿.使二极管反向击穿的电压称为反向击穿电压UBR. . 主要参数 为描述二极管的性能,常引用以下几个主要参数. .最大整流电流IF IF是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流,其值与PN 结面积及外部散热条件有关.在规定散热条件下,二极管正向平均电流若超过此值,则将因结温升高而烧坏.,上一页,下一页,返回,. 半导体二极管,.最高反向工作电压UR UR 是二极管不被击穿允许外加的反向电压峰值,超过此值时,二极管有可能因反向击穿而损坏.UR 通常为击穿电压UBR的/或/. .反向电流IS IS 是二极管未击穿时的反
14、向峰值电流.IS 越小,二极管的单向导电性越好,IS 对温度非常敏感. .最高工作频率fM fM 是二极管工作的上限频率.超过此值时,由于结电容的作用,二极管将不能很好地体现单向导电性.,上一页,下一页,返回,. 半导体二极管,. 稳压二极管 稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管,简称稳压管. 稳压管的伏安特性(图-)与普通二极管相似,其正向特性为指数曲线.当稳压管外加反向电压的数值达到一定程度时则击穿,击穿的曲线很陡.此时,在一定电流范围内(IZmaxIZIZmin),端电压几乎不变,体现出稳压特性.由于稳压管的反向电流小于IZmin时不稳压,大于IZmax时会因超过额定功耗发生热
15、击穿而损坏,因此稳压管使用时必须串联合适的限流电阻,并使其反向击穿.稳压二极管因其稳压特性而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中.,上一页,下一页,返回,. 半导体二极管,稳压管的主要参数如下. .稳定电压UZ 稳定电压是在规定电流下稳压管的反向击穿电压.由于半导体器件的分散性,同一型号的稳压管稳压值也有差别.如稳压管CW的稳压值为.V.但就某一个管子而言,其稳压值是一定的. .稳定电流IZ IZ 是稳压管工作在稳压状态时的参考电流,电流低于此值时稳压效果会变坏,甚至根本不稳压,故也常将IZ 记作IZmin.只要不超过稳压管的额定功率,电流越大,稳压效果越好. .最大功耗PZM PZM 等于稳压管
16、的稳定电压UZ 与最大稳定电流IZM (或IZmax)的乘积.稳压管的功耗超过此值时,会因结温升过高而损坏.,上一页,下一页,返回,. 半导体二极管,.动态电阻rZ rZ 是稳压管工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化量之比,即UZ/IZ.rZ 越小,电流变化时UZ 的变化越小,即稳压管的稳压特性越好. .温度系数 表示温度每变化稳压值的变化量,即UZ/T.稳定电压小于V 的管子具有负温度系数,稳定电压大于V 的管子具有正温度系数.而稳定电压在V 的管子,温度系数非常小,因此选用稳定电压为V 左右的稳压二极管其温度稳定性较好.,上一页,返回,. 三 极 管,双极性晶体管,俗称三极管,是一种具有三个端子的电子器件.它是非常重要的一种半导体器件,能够控制能量的转
