第二章、半导体器件简介

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1、第二章 半导体器件简介 2 1 2 1 半导体二极管 Crystal Diode 半导体二极管 Crystal Diode 2 1 1 本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体 本征半导体的共价键结构 本征半导体的共价键结构 在电子器件中 用得最多的半导体材料是硅和锗 它们的简化原子 模型如下图 a 所示 硅和锗都是四价元素 在其最外层原子轨道上具有 四个价电子 半导体具有晶体结构 它的原子有序排列 邻近原子之间 由共价键联结 其晶体结构示意图如图 b 所示 图 b 中表示的是晶体的 二维结构 实际上半导体晶体结构是三维的 本征半导体是一种完全纯净 结构完整的半导体晶体 本征激发 本征激发

2、 在室温下 本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量 挣脱共 价键的束缚进入导带 成为自由电子 在晶体中产生电子 空穴对的现象 称为本征激发 空穴 空穴 在本征激发中 价电子成为自由电子后共价键上留下空位 这个空 位称为空穴 空穴是一个带正电的粒子其电量与电子相等 符号相反 在外加电场作用下 可以自由地在晶体中运动 它和自由电子一样可以 参加导电 空穴 电子导电机理 空穴 电子导电机理 由于共价键出现了空穴 在外加电场或其他的作用下 邻近价电子 就可填补到这个空位上 而在这个电子原来的位置上又留下新的空位 以后其他电子可转移到这个新的空位 这样就使共价键中出现一定的电 荷迁移 空穴的移动方向和

3、电子移动的方向是相反的 P 型杂质半导体中的载流子 型杂质半导体中的载流子 在硅 或锗 的晶体内掺入少量三价元素杂质 如硼 或锢 等 因硼原子只有三个价电子 它与周围硅原子组成共价键时 因缺少一个 电子 在晶体中便产生一个空位 当相邻共价键上的电子受到热振动或 在其他激发条件下获得能量时 就有可能填补这个空位 使硼原子成为 不能移动的负离子 而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子 形成了 空穴 硼原子能接受电子 称硼为受主 半导体呈中性 如图所示 P 型半导体中多数载流子是空穴 少数载流子是电子 本征激发产 生 N 型杂质半导体中的载流子 型杂质半导体中的载流子 在硅或锗的晶体中掺入五价元素 它

4、的五个价电子中有四个与周围 的硅原子结成共价键后 多余的一个价电子 在室温下 原子对于这个 多余的价电子束缚力较弱 它很容易被激发而成为自由电子 这样 杂 质原子就变成带正电荷的离子 由于杂质原子可以提供电子 故称为施 主原子 这种杂质半导体中自由电子的浓度比同一温度下本征半导体中 自由电子的浓度大好多倍 这就大大加强了半导体的导电能力 它就可 以成为自由电子 在 N 型半导体中多数载流子是电子 空穴为少数载流子 2 1 2 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 PN 结 结 在一块完整的硅片上 用不同的掺杂工艺使其一边形成 N 型半导 体 另一边形成 P 型半导体 那么在两种半导体的交界面

5、附近就形成了 PN 结 PN 结是构成各种半导体器件的基础 在 P 型半导体和 N 型半导体结合后 由于 N 型区内电子很多而空 穴很少 而 P 型区内空穴很多电子很少 在它们的交界处就出现了电子 和空穴的浓度差别 这样 电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的 地方扩散 于是 有一些电子要从 N 型区向 P 型区扩散 也有一些空穴 要从 P 型区向 N 型区扩散 它们扩散的结果就使 P 区一边失去空穴 留 下了带负电的杂质离子 N 区一边失去电子 留下了带正电的杂质离子 半导体中的离子不能任意移动 因此不参与导电 这些不能移动的带电 粒子在 P 和 N 区交界面附近 形成了一个很薄的空间电荷区

6、 就是所谓 的 PN 结 空间电荷区有时又称为耗尽区 扩散越强 空间电荷区越宽 在出现了空间电荷区以后 由于正负电荷之间的相互作用 在空间 电荷区就形成了一个内电场 其方向是从带正电的 N 区指向带负电的 P 区 显然 这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反它是阻止扩散 的 另一方面 这个电场将使 N 区的少数载流子空穴向 P 区漂移 使 P 区的少数载流子电子向 N 区漂移 漂移运动的方向正好与扩散运动的方 向相反 从 N 区漂移到 P 区的空穴补充了原来交界面上 P 区所失去的空 穴 从 P 区漂移到 N 区的电子补充了原来交界面上 N 区所失去的电子 这就使空间电荷减少 因此 漂移运动

7、的结果是使空间电荷区变窄 当漂移运动达到和扩散运动相等时 PN 结处于动态平衡状态 PN 结的正向导电性 结的正向导电性 当 PN 结加上外加电压 VF 其正端接 P 区 负端接 N 区时 外加电 场与 PN 结内电场方向相反 在这个外加电场作用下 PN 结的平衡状态 被打破 P区中的多数载流子空穴和 N区中的多数载流子电子都要向PN 结移动 当 P 区空穴进入 PN 结后 就要和原来的一部分负离子中和 使 P 区的空间电荷量减少 同样 当 N 区电子进入 PN 结时 中和了部 分正离子 使 N 区的空间电荷量减少 结果使 PN 结变窄 即耗尽区厚 变薄 由于这时耗尽区中载流子增加 因而电阻减

8、小 势垒降低使 P 区 和 N 区中能越过这个势垒的多数载流子大大增加 形成扩散电流 在这 种情况下 由少数载流了形成的漂移电流 其方向与扩散电流相反 和 正向电流比较 其数值很小 可忽略不计 这时 PN 结内的电流由起支 配地位的扩散电流所决定 在外电路上形成一个流入 P 区的电流 称为 正向电流 F I 当外加电压稍有变化 如 O 1V 便能引起电流的显 F V F I 著变化 因此电流是随外加电压急速上升的 这时 正向的 PN 结表 现为一个很小的电阻 PN 结的反向导电性 结的反向导电性 外加电压 VR 的正端接 N 区 负端接 P 区 外加电场方向与 PN 结 内电场方向相同 PN

9、结处于反向偏置 在反向电压的作用下 P 区中 的空穴和 N 区中的电子都将进一步离开 PN 结 使耗尽区厚度加宽 PN 结的内电场加强 这一结果 一方面使 P 区和 N 区中的多数载流子就很 难越过势垒 扩散电流趋近于零 另一方面 由于内电场的加强 使得 N 区和 P 区中的少数载流子更容易产生漂移运动 这样 此时流过 PN 结的电流由起支配地位的漂移电流所决定 漂移电流表现在外电路上有 一个流入 N 区的反向电流 R I 由于少数载流子是由本征激发产生的其 浓度很小 所以 R I R I 是很微弱的 一般为微安数量级 当管子制成后 数值决定于温度 而几乎与外加电压无关 R V R I 受温度

10、的影响较大 在某些实际应用中 还必须予以考虑 PN 结在反向偏置时 R I 很小 PN 结呈现一个很大的电阻 可认为它基本是不导电的 PN 结的反向击穿现象 结的反向击穿现象 D u DS II S I当 PN 结外加反相电压小于击穿电压 VBR 时 BR V很小且随温度变化很大 当反向电压的绝对值达到后 反向电流会 突然增大 此时二极管处于 反向击穿 状态 发生反向击穿时 在反 向电流很大的变化范围内 二极管两端电压几乎不变 反向击穿分为电击穿和热击穿 电击穿包括雪崩击穿和齐纳击 PN 结热击穿后电流很大 电压又很高 消耗在结上的功率很大 容易使 PN 结发热 把 PN 结烧毁 热击穿是不可

11、逆的 2 1 3 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类 点接触型二极管是将一根很细的金属触丝 如三价元素铝 和一块 半导体 如锗 熔接后做出相应的电极引线 再外加管壳密封而成 其 结构图如图 a 所示 点接触型二极管的极间电容很小 不能承受高 的反向电压和大的电流 往往用来做小电流整流 高频检波及开关管 面接触型二极管的结构如图 b 所示 这种二极管的 PN 结面积大 可承受较大的电流 但极间电容也大 这类器件适用于整流 而不宜用 于高频电路中 图 c 为集成电路中的平面型二极管的结构图 图 d 为二极管的 代表符号 2 1 4 半导体二

12、极管的特性半导体二极管的特性 伏安特性 伏安特性 半导体的V I 特性如下 图所示 其伏安特性分三部 分加以说明 1 正向特性 正向特性表现为图中 的 段 当正向电压较小 正向电流几乎为零 此工作 区域称为死区 称为门坎 th V 电压或死区电压 该电压硅管约为 0 5V 锗管为 0 2V 当正向电压大 于时 内电场削弱 电流因而迅速增长 呈现的很小正向电阻 th V 2 反向特性 反向特性表现为如图中的 段 由于是少数载流形成反向饱和电 流 所以其数值很小 当温度升高时 反向电流将随之急剧增加 3 反向击穿特性 反向击穿特性对应于图中 段 当反向电压增加到一定大小时 反 向电流剧增 二极管的

13、反向击穿 其原因和 PN 击穿相同 频率特性 频率特性 由于结电容的存在 当频率高到某一程度时 容抗小到使 PN 结短 路 导致二极管失去单向导电性 不能工作 PN 结面积越大 结电容 也越大 越不能在高频情况下工作 2 1 5 二极管的主要参数二极管的主要参数 F I正向电流正向电流 在额定功率下 允许通过二极管的电流值 正向电压降 正向电压降 F V 二极管通过额定正向电流时 在两极间所产生的电压降 OM I最大整流电流 平均值 最大整流电流 平均值 在半波整流连续工作的情况下 允许的最大半波电流的平均值 反向击穿电压 反向击穿电压 B V 二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压

14、值 正向反向峰值电压 正向反向峰值电压 RM V 二极管正常工作时所允许的反向电压峰值 通常为 RM V P V 的三分之 二或略小 R I反向电流反向电流 在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值 结电容结电容 C 电容包括电容和扩散电容 在高频场合下使用时 要求结电容小于 某一规定数值 M F最高工作频率最高工作频率 二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率 2 1 6 二极管的分类介绍二极管的分类介绍 1 整流二极管 将交流电源整流成为直流电流的二极管叫做整流二极管 它是面结 合型的功率器件 因结电容大 所以工作频率低 F I F I在 1A 以上的二极管采用金属壳封装 以利于散热

15、通常 在 1A 以下的采用全塑料封装由于近代工艺技术不断提高 国外出现了不 少较大功率的管子 也采用塑封形式 a 全密封金属结构 b 塑料封装 2 检波二极管 检波二极管是用于把迭加在高频载波上的低频信号检出来的器件 它具有较高的检波效率和良好的频率特性 3 开关二极管 在脉冲数字电路中 用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管 它的特点是反向恢复时间短 能满足高频和超高频应用的需要 开关二极管有接触型 平面型和扩散台面型几种 一般 IF 500 毫 安的硅开关二极管 多采用全密封环氧树脂 陶瓷片状封装 如图三所 示 引脚较长的一端为正极 硅开关二极管全密封环环氧树脂陶瓷片状 封装 4 稳压二极

16、管 稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管 它是利用 PN 结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点 来达到稳压 的目的 因为它能在电路中起稳压作用 故称为 稳压二极管 简称稳 压管 稳压二极管的原理图符号 稳压管的伏安特性曲线如图所示 当反向电压达到 Vz 时 即使电 压有一微小的增加 反向电流亦会猛增 反向击穿曲线很徒直 这时 二极管处于击穿状态 如果把击穿电流限制在一定的范围内 管子就可 以长时间在反向击穿状态下稳定工作 5 变容二极管 变容二极管是利用 PN 结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的 非线性电容元件 被广泛地用于参量放大器 电子调谐及倍频器等微波 电路中 变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电 容与电压的非线性关系 并提高 Q 值以适合应用 变容二极管的原理图符号 6 发光二极管 发光二极管 LED 是用半导体材料制作的正向偏置的 PN 结二极 管 其发光机理是当在 PN 结两端注入正向电流时 注入的非平衡载流 子 电子 空穴对 在扩散过程中复合发光 这种发射过程主要对应光 的自发发射过程 按光输出的位置不同 发光二极管可分为面发射