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1、2020/8/4,数学与计算机学院 *,1.1 半导体及PN结 1.2 二极管 1.3 双极刑三极管 1.4 场效应管,第1章 基本半导体器件,2020/8/4,数学与计算机学院 *,1.1 半导体及PN结,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、场效应管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。,容易导电的物质叫导体。有金属、石墨、人体、大地和食盐水。 不容易导电的物质绝缘体。橡胶、玻璃、瓷、塑料、干木头、油和干燥的空气都是绝缘体。,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)。也有三-五族化合物半导体：GaAs、GaP 硅和锗是
2、4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。,1.1 半导体,导体和绝缘体不是绝对的。 1）纯净的水是不导电的，但由于水中溶有大量其他的物质，普通的水是导电的。 2）玻璃在通常情况下是绝缘体，但当玻璃被烧红时，玻璃也会导电而使发光二极管发光。 3）导体的表面若被氧化或腐蚀后，会使它的导电能力下降，甚至不容易导电。因此，某些电路的关键部位我们必须采取防腐蚀措施。如人造卫星电路的接触点表面一般镀上金，以防止腐蚀。,金刚石 原子晶体,原子构成正四面体,每个碳原子与另外四个碳原子 形成共价键。 石墨 石墨晶体中，碳原子和邻近的三个碳原子形成共价单键， 构成六角平面的网状结构，这些网状结构又连成片层结构。
3、,2020/8/4,数学与计算机学院 *,本征半导体Intrisic Semiconductor ： 纯净,晶体结构完整的半导体。99.9999999%,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性， 在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,本征激发（热激发）产生自由电子和空穴（载流子）,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。,每个硅原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相
4、邻原子共用一对电子。,1半导体的导电特征,2020/8/4,数学与计算机学院 *,BIOS EPROM EEPROM FLASH 光照 电磁场,2020/8/4,数学与计算机学院 *,空穴运动,邻近共价键中的价电子填补空穴，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。,价电子填补空穴,2020/8/4,数学与计算机学院 *,* 本征半导体有两种载流子：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。 在一定温度下本征
5、半导体的自由电子和空穴维持一定的浓度，导电能力很弱。 外加能量越高 （温度越高），产生的电子空穴对越多。本征半导体导电性取决于：温度和光照！ 温度、光照 导电性 (与金属的区别),本征半导体小结,2020/8/4,数学与计算机学院 *,2. 掺杂半导体,在本征半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，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,杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量杂质。,五价杂质元素（P、As）施放自由电子，称施主杂质。,2020/8/4
6、,数学与计算机学院 *,自由电子,多数载流子（简称多子）,空穴,少数载流子（简称少子）,2020/8/4,数学与计算机学院 *,P型半导体,在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，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。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,三价杂质元素（B、Ga）施放空穴，称受主杂质。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,自由电子,多数载流子（简称多子）,空穴,少数载流子（简称少子）,2020/8/4,数学与计算机学院 *,*无
7、论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。 *多数载流子的数量由掺入的杂质的浓度决定，掺杂浓度越高多数载流子的数量越多。 * 少数载流子数量是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,掺杂半导体小结,2020/8/4,数学与计算机学院 *,杂质浓度对导电性能的影响Si原子浓度：4.96 1022 /cm3 本征Si： ni= 1.43 1010 /cm 3(300 K ) 105 cm 杂质浓度：1013 /cm3 103 cm 1021 /cm3 10 3 cm 掺杂浓度对半导体导电性有很大的影响！,掺杂是为了控制半导体导电能力,2020/8/4,数学与计算机学院 *,3PN结及
8、其单向导电性,PN结的形成 (PN JUNCTION),* 如果载流子浓度分布不均匀，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。 * 少数载流子在在内电场作用下的定向运动称为漂移运动。 * 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。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,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宽度的PN结,2020/8/4,数学与计算机学院 *, 外加正向电压（也叫正向偏置） 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，多子扩散运动大大
9、超过少子漂移运动，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。,PN结的单向导电性,2020/8/4,数学与计算机学院 *, 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I，因为是少子漂移运动产生的，I很小，这时称PN结处于截止状态。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,（ 1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ） （2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） （3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ）,(1) (2) (3),PN结加正向电压时，空间电荷区
10、将_ 。,变窄,2020/8/4,数学与计算机学院 *,1.2 晶体二极管,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、面接触型、平面型。 点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。 面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用在低频整流电路中。 平面型：既有整流管，也有高频管。,1二极管的结构与符号,2020/8/4,数学与计算机学院 *,2020/8/4,数学与计算机学院 *,2020/8/4,数学与计算机学院 *,2020/8/4,数学与计算机学院 *,2020/8/4
11、,数学与计算机学院 *,水立方的外观颜色是由安置的LED灯所控制的。这种半导体发光材料非常节能，可以呈现红蓝绿三种基色，通过自动化系统控制，三种基色可以自由组合，能呈现出任何一种颜色。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,A B C D,国产二极管型号命名,N型锗材料,2 A P 1,二极管,普通管,规格号,N型锗材料,P型锗材料,N型硅材料,P型硅材料,W:稳压管，V：微波管,2020/8/4,数学与计算机学院 *,2半导体二极管的伏安特性曲线,（1）正向特性(外加正向电压),外加正向电压较小时，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，电流为零。 正向电压大于死区电
12、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，反向饱和电流IS很小。 反向电压大于击穿电压VBR时，反向电流急剧增加。,（2）反向特性(外加反向电压),击穿区,电击穿 可恢复 热击穿 损坏,2020/8/4,数学与计算机学院 *,式中IR(sat) 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。,根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示:,2020/8/4,数学与计算机学院
13、 *,3. 二极管模型,正向偏置时： 管压降为0，电阻为0。 短路！,反向偏置时： 电流为0，电阻为。 开路！,（1）理想模型,（2）恒压降模型,vD=0.7V。(Si) VD=0.2V (Ge),2020/8/4,数学与计算机学院 *,（3）折线模型,0.7V,1mA,2020/8/4,数学与计算机学院 *,4半导体二极管的主要参数,1）最大整流电流IF：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。 3）最大反向工作电压UR：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR 的一半）。 4）反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，
14、则管子的单向导电性越好。 5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,例1：二极管半波整流,5. 二极管的应用,2020/8/4,数学与计算机学院 *,二极管的单向导电性应用电路：整流、检波、限幅、钳位等。,例2 限幅电路，设二极管为理想器件。分析输出波形。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,2020/8/4,数学与计算机学院 *,3.开关电路,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截
15、止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,2020/8/4,数学与计算机学院 *,6. 稳压二极管及稳压电路,稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。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。,(b),(c),2020/8/4,数学与计算机学院 *,已知稳压管的稳压值UZ 6V， 稳定电流的最小值 Zmi n 5mA。求电路中UO1 和UO2 各为多少伏。,6v 5v,2020/8/4,数学与计算机学院 *,例 在图中，已知稳压二极管的6.3V，当V20V
16、，Rlk，求VO?已知稳压二极管的正向压降V07V。,解 当V20V，V反向击穿稳压V6.3V，V正向导通，V.7V，则V.7V；同理V-20V，VO-7V。,Vi,(b),2020/8/4,数学与计算机学院 *,（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）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是： PZ=UZIZM,稳压管的主要参数：,2020/8/4,数学与计算机学院 *,发光二极管 激光光头,电源显示,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,2020/8/4,数学与计算机学院 *,光电二极
