第5章半导体基本知识new

《第5章半导体基本知识new》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章半导体基本知识new（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章 半导体基本知识 目 录 5.1 半导体及其特性 5.2 半导体二极管 5.3 半导体三极管 *5.4 场效应晶体管 本章小结,【本章学习要求】 理论：了解半导体的基本结构及特点，掌握二极管、三极管及场效应晶体管的特性及应用。 技能： 掌握用万用表判断二极管、三极管各电极的方法，会用仪器测量二极管、三极管的特性曲线。,5.1 半导体及其特性 5.1.1 半导体概述 自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同可分为导体、绝缘体和半导体三大类。 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，电阻率在 10-3109/cm。例如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和砷化镓（GaAs）及其他金属氧

2、化物和硫化物等。 半导体具有的特性为：热敏性、光敏性和杂敏性。 1热敏性 指半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。 2光敏性 指半导体的导电能力随着光照的强弱而有显著的改变。 3杂敏性 指半导体的导电能力会因为掺入适量杂质而发生显著变化。,5.1.2 本征半导体 纯净的不含任何杂质，晶体结构排列整齐的半导体称为本征半导体。 本征半导体中的价电子可挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷的自由电子，同时在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空穴。自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失，这种现象叫做复合。 半导体中自由电子和空穴都可以参与导电，因此半导体中有两种载流子：带负

3、电荷的自由电子和带正电荷的空穴。 5.1.3 杂质半导体 根据掺入杂质的不同，杂质半导体又可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴）半导体。,（1）N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量磷（或其他五价元素）形成的半导体称为N型半导体。由于在N型半导体中自由电子数目远远大于空穴数，故称这种杂质半导体为电子型半导体 。 在 N型半导体中自由电子为多数载流子，简称多子；相应的空穴为少数载流子，简称少子。 N型半导体的形成及结构示意图如图5-1所示。 （2）P型半导体 在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量硼元素（或其他三价元素）形成的半导体称为P型半导体。由于在P型半导体中空穴数目远远大于自由电子

4、数，故称这种杂质半导体为空穴型半导体 。 在 P型半导体中空穴为多数载流子，简称多子；相应的自由电子为少数载流子，简称少子。,P型半导体的形成及结构示意图如图5-2所示。,图5-1 N型半导体的形成及结构示意图,图5-2 P型半导体的形成及结构示意图,5.2 半导体二极管 5.2.1 PN结的形成及单向导电性 （1）PN结的形成 在本征半导体上通过某种掺杂工艺，使其形成P型区和N型区两部分，由于P区的多子是空穴，N区的多子是自由电子，因此在交界处自由电子和空穴都要从高浓度区向低浓度区扩散。多数载流子在浓度差作用下的定向运动，叫做扩散运动。如图5-4a所示。多子扩散到对方区域后，使对方区域的多子

5、因复合而耗尽，于是P区和N区的交界处就会出现数量相等、不能移动的负离子区和正离子区，这些不能移动的带电离子形成了空间电荷区，也就是PN结，如图5-4b所示。 空间电荷区靠近P区带负电，靠近N区带正电，因此形成了一个电场方向由N区指向P区的内建电场，简称内电场。,图5-4 PN结的形成,（2）PN结的单向导电特性 1）外加正向电压时PN结导通 将PN结的P区接电源的正极，N区接电源的负极，这种接法为正向接法或正向偏置，简称正偏。如图5-5a所示。在正向偏置下，PN结对外电路呈现较小的电阻（理想情况下电阻为零），因此称PN结处在导通状态。,图5-5 PN结外加电压,2）外加反向电压时PN结截止 将

6、PN结的P区接电源的负极，N区接电源的正极，这种接法为反向接法或反向偏置，简称反偏。如图5-5b所示在反向偏置下，PN结对外电路显现很大的电阻（理想情况下电阻为无穷大），因此称PN结处在截止状态。,5.2.2 半导体二极管 1二极管的结构 半导体二极管，实质上是有一个PN结加上电极引线及外壳封装制成。由P区引出的电极为阳极或正极，由N区引出的电极为阴极或负极。二极管的结构及符号如图5-6所示。,图5-6 二极管的结构及符号,2二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性曲线是指外加到二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系曲线。如图5-7所示。 外加正向电压（U0）的伏安特性为二极管的正向特性。

7、当电压U开始增加时，PN结不导通，如图0A段。只有当U大于死区电压，PN结才导通，产生正向电流，并以指数规律上升，如图AB段。外加反向电压（U0）的伏安特性为二极管的反向特性。当外加反向电压时，PN结内流过的电流为反向饱和电流IS。当反向电压U在一定范围内变化时，反向电流很小，且几乎不变，如图0C段。外加反向电压增大到一定程度时反向电流将急剧增大，如图CD段，这种现象称之为反向击穿。发生击穿时的反向电压叫做反向击穿电压UBR。 3二极管的主要参数 二极管的主要参数有：最大整流电流IF 、反向击穿电压UBR、最高反向工作电压URM 、反向电流IR 和最高工作频率fM 。,图5-7 二极管的伏安特

8、性曲线,例如：二极管2AK系列，表示N型锗材料开关二极管。,4二极管的型号命名 根据国产半导体器件型号命名规则，半导体器件的型号有四部分组成，如表5-1所示。 表5-1 二极管的型号命名及意义,5二极管的测试 用万用表测量其正反向电阻值来确定二极管的电极。测量时把万用表置于电阻R100挡或R1K挡。将万用表两表棒分别接二极管的两个电极，测出电阻值；然后更换二极管的电极，再测出电阻值。电阻值很小的那次测量，万用表的黑表笔相接的电极为二极管的正极，红表笔相接的电极为二极管的负极。 6二极管的应用 二极管在电子技术中广泛地应用于整流、限幅、开关和稳压等方面，大多是利用其正向导通、反偏截止的特点。 1

9、）整流应用。即把大小和方向都随时间发生变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电。 2）限幅应用。将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。如图5-8a所示为双向限幅电路。 3）稳压应用。用来实现稳定电压输出。 4）开关应用。在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用。,假设VD1、VD2为理想二极管，当输入电压ui2V时，uo=2V；当ui-2V时，uo=-2V；当ui在-2V与+2V之间时，uo=ui。输入输出波形如图5-8b。利用限幅电路就可以把输入电压ui的幅度加以限制。,图5-8 双向限幅电路,例5.1 如图5-10所示电路中，已知二极管为硅管，电源电压为U1=6V，U2=3V。电阻

10、R=300 ，问二极管是否导通？Uab等于多少？流过电阻的电流各为多少？,图5-10 例5.1题图,解：分析时，可以先假设二极管不导通，来判断加在二极管两端的正向电压是否大于导通电压。若两端的电压大于导通电压，则二极管导通，电路中有电流，二极管两端的电压等于导通电压；若两端的电压小于导通电压，则二极管截止，电路中无电流。 对于a图假设二极管不导通，以b点为参考电位点（即令Vb=0V），则二极管的阳极电位为-6V，阴极电位为-3V，二极管的正向压降为（-6）（-3）V=-3V0.6V，所以二极管截止，Uab=-3V，流过电阻的电流为零。 对于b图假设二极管不导通，以b点为参考电位点（即令Vb=0

11、V ），则二极管的阳极电位为-3V，阴极电位为-6V，二极管的正向压降为（-3）（-6）V=3V0.6V，所以二极管导通，导通电压为0.6V，Uab=（-6）+ 0.6V= -5.4V，流过电阻的电流：I=0.6+（-6）+3V/300 =-0.008A 负号表示电流方向由a指向b。,5.2.3 其他二极管 （1）稳压二极管 稳压二极管简称稳压管，是利用二极管的反向击穿特性制造的面接触型半导体二极管。其伏安特性曲线及电路符号如图5-12所示。稳压二极管的主要参数有：1)稳定电压值UZ。 2)最大稳压电流IZM和最大功率损耗PZM。3)稳定电流IZmin。,图5-12 稳压管伏安特性曲线及电路符

12、号,（2）发光二极管 发光二极管（简称“LED” ）是常见的光电器件，其伏安特性曲线及电路符号如图5-15所示。,图5-15 发光二极管伏安特性曲线及电路符号,发光二极管具有功耗小、体积小、驱动简单、寿命长、可靠性高、单色性好及易与集成电路匹配等优点，因此应用十分广泛。一般常用于信号灯指示、数字和字符指示（接成七段显示数码管）等。,（3）光敏二极管 光敏二极管是一种能将接受的光信号转换成电信号的半导体二极管，其电路符号如图5-16所示。光敏二极管可以用来作为测光元件，也可以作为将光信号转换成电信号的器件，如图5-17为光电数字转速表。,图5-16 光敏二极管电路符号,图5-17 光电数字转速表

13、,光敏器件还可以和发光二极管一起组成光耦合器件。实现电光电的传输和转换。如图5-18是常见的利用光信号来远距离传输电信号的示意图。,图5-18 远距离传输电信号的示意图,（4）变容二极管 变容二极管是利用PN结反向偏置时，电容大小随外加电压而发生变化的特性制成的。变容二极管的电路符号及简单应用电路如图5-19所示。图5-19b为一变容二极管调频电路。,图5-19 变容二极管的电路符号及简单应用电路,在低频信号U1的作用下，变容二极管VD的结电容发生变化，LC震荡回路的谐振频率也随之改变。变容二极管的电容量一般很小，其最大值为几十到几百微法，最大电容和最小电容之比约为5：1。,5.3 半导体三极

14、管 5.3.1 半导体三极管的结构 半导体三极管的种类很多，按照半导体材料的不同可分为硅管、锗管；按照功率分为小功率管、中功率管和大功率管；按照频率分为高频管和低频管；按照制造工艺分为合金管和平面管等。 根据两个PN结的组成不同三极管又可分为NPN型三极管和PNP型三极管，结构示意图及电路符号如图5-21所示，符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向。 三极管有三个区，分别为基区、发射区和集电区。从三个区引出的三个电极相应的为基极、发射极和集电极，分别用b、e、c来表示。组成三极管的两个PN结分别为发射结（基区与发射区交界处的PN结）和集电结（基区和集电区交界处的PN结）。,图5-21 三极管的

15、结构示意图及电路符号,为了使三极管具有放大作用，三极管在制造工艺上应具有如下特点：基区做的很薄；发射区掺杂浓度远远高于基区掺杂浓度；集电区的面积比较大。 满足制造工艺特点后还必须具备的外部条件：使发射结正偏，使集电结反偏。,（1）三极管的基本工作原理 由于NPN管和PNP管的结构对称，工作原理完全相同，下面仅以NPN管为例，讨论三极管的基本工作原理。,图5-22 三极管内部载流子的运和电流关系,在满足上述内部和外部条件的情况下，三极管内部载流子的运动如图5-22所示，首先，发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。其次，发射区发射的自由电子注入基区后，和基区的空穴产生复合运动而形成基极电流IB

16、。最后，集电结的内电场将基区的自由电子收集到集电区，从而形成集电极电流IC。,（2）各极电流的分配关系 由三极管内部载流子的运动可以看出，IE=IC+IB。由于复合电流IB很小，所以通常认为IEIC 。IC和IB成比例关系，比值的大小取决于制造三极管时的结构和工艺，称为三极管的直流电流放大系数，用 表示，通常取值范围为20200 。 5.3.2 三极管的伏安特性曲线 三极管的伏安特性曲线是指三极管各极电压与电流之间的关系曲线。常用的伏安特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线。 1输入特性曲线 输入特性曲线是指当集电极与发射极之间的电压UCE为一常数时，输入回路中基极电流iB与加在三极管基极与发射极之间的电压uBE之间的关系曲线。用函数式表示为： iB=f(uBE)/UCE=常数 当UCE变化时，三极管的输入特性曲线如图5-24所示。,从图上可以看出：三极管的输入特性曲线和二极管的正向特性曲线相似，当输入电压小于导通电压时，三极管不导通，基极电流为零；当输入电压