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1、第4章 半导体二极管和三极管,内容主要有：半导体的导电性能PN结的形成及单向导电性半导体器件的结构、工作原理、工作特性、参数 半导体器件主要包括：半导体二极管（包括稳压管）三极管,4.1 PN结,1. 半导体 半导体的物理特性物质根据其导电性能分为 导体：导电能力良好的物质。 绝缘体：导电能力很差的物质。 半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之 间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。, 半导体的物理特性,半导体的导电能力具有独特的性质。温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；纯净的半导体受到光照时，导
2、电能力明显提高。半导体为什么具有以上的导电性质？,半导体的晶体结构,半导体器件的材料： 硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。 锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。,单晶半导体结构特点共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。图4-1(b)是晶体共价键结构的平面示意图。,半导体的晶体结构,半导体的晶体结构,2.半导体的导电原理,本征半导体（Intrinsic Semiconductor） 纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子载流子的多少
3、。, 本征半导体,本征半导体在绝对零度（T=0K相当于T=273）时，相当于绝缘体。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。,半导体中的载流子自由电子空穴（Hole） 空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空穴。空穴带正电荷。, 本征半导体,在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发（Intrinsic Excitation）。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。空穴是载流子吗？,
4、 本征半导体,动画,空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。,图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图, 本征半导体,由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，因此，空穴是一种载流子。半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。, 本征半导体,半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。半导体中存在载流子的产生过程载流子的复合过程, 本征半导体,综上所述：,(1)半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，电子带负电，空穴带正电
5、。(2)本征半导体中，电子和空穴总是成对地产生，ni = pi。(3)半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。(自由电子在运动过程中能量减少,又可能填补空穴恢复共价键), 杂质半导体,本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。掺入的微量元素“杂质”。掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。,常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。, 杂质半导体, N型半导体,在本征半导
6、体中加入微量的五价元素，可使半导体中自由电子浓度大为增加，形成N型半导体。掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅（或锗）原子的位置。,杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。自由电子的数目高，故导电能力显著提高。把这种半导体称为N型半导体，其中的电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子(杂质原子)带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。, N型半导体, P型半导体,在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。,空位吸引邻近原子的价电子填充，从而留
7、下一个空穴。,在P型半导体中，空穴数等于负离子数与自由电子数之和，空穴带正电，负离子和自由电子带负电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。,综上所述：,(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。, 载流子的漂移运动和扩散运动, 漂移运动（Drift Movement） 有电场力作用时，电子和空穴便产生
8、定向运动，称为漂移运动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。, 扩散运动,由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动（Diffusion Movement），载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比。,3. PN结的形成,PN结： 是指在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区。PN结是构成多种半导体器件的基础。 二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。,浓度差引起载流子的扩散。,3. PN结的形成,扩散的结果形成自建电场。,自建电场阻止扩散，加强漂移。,动态平衡。 扩散=漂移,3. PN结的形成,动画,4.PN结的特性
9、, PN结的单向导电性 PN结外加正向电压,如图所示，电源的正极接P区，负极接N区，这种接法叫做PN结加正向电压或正向偏置。,动画, PN结外加正向电压,PN结外加正向电压时（P正、N负），空间电荷区变窄。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。, PN结外加反向电压,如图所示，电源的正极接N区，负极接P区，这种接法叫做PN结加反向电压或反向偏置。, PN结外加反向电压,流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的，称为PN结的反向电流。,PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。,PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自
10、建电场增强，多子的扩散电流近似为零。 反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。温度升高时,少子值迅速增大，所以PN结的反向电流(反向饱和电流)受温度影响很大。, PN结外加反向电压,结论：,PN结的单向导电性： PN结加正向电压产生大的正向电流， PN结导电。 PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零， PN结不导电。, PN结的伏安特性,定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线PN结的伏安特性。根据理论分析，PN结的伏安特性方程为,外加电压,流过PN结的电流,电子电荷量q =1.
11、610-19C,反向饱和电流,绝对温度(K),玻耳兹曼常数k =1.3810-23J/K,自然对数的底, PN结的伏安特性,令,在常温下，T = 300K，,则,当U大于UT数倍,即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。, PN结的伏安特性,外加反向电压时，U为负值，当|U|比UT大几倍时，,IIS即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和电流。, PN结的伏安特性,曲线OD段表示PN结正向偏置时的伏安特性，称为正向特性；曲线OB段表示PN结反向偏置时的伏安特性，称为反向特性。,画出PN结的理论伏安特性曲线。, PN结的反向击穿,加大PN结的反向电压到某一值时，反向电流突然剧增，这种现象
12、称为PN结击穿，发生击穿所需的电压称为击穿电压，如图所示。 反向击穿的特点：反向电压增加很小，反向电流却急剧增加。, PN结的电容效应,除了单向导电性之外,PN结还存在电容效应。 势垒电容CB 指外加电压的极性和大小发生变化时,导致空间电荷区存储电荷的变化，从而显示出电容效应。几皮法几百皮法。 扩散电容CD 在PN结边界附近积累的载流子增多,相当电荷的充入.当正向电压减少时,积累在PN结边界附近的不平衡少子减少,相当电荷的放出.(当PN结加正向电压时,N区多子扩散到P区后称为P区的不平衡少子), PN结的电容效应,PN结的电容很小，是针对高频交流小信号而考虑。PN结反向工作时，势垒电容起主要作
13、用，正向工作时扩散电容起主要作用。PN结的面积增大时，PN结的电容也增大。,4.2 半导体二极管,1.半导体二极管的结构和类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,1.半导体二极管的结构和类型,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,往往用于集成电路制造中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(3) 平面型二极管,(2)面接触型二极管,(4) 二极管的代表符号,(b)面接触型,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,2. 二极管的伏安特
14、性,二极管的伏安特性的测出。,2. 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示, 正向特性死区电压：(oc段,只有当正向电压超过某一数值时,才有明显的正向电流,这个电压就是) 硅管 0.5V,锗管 0.1V线性区(CD段)：硅管 0.6V1V 锗管 0.2V0.5V 对温度变化敏感：温度升高正向特性曲线左移温度每升高1正向压降减小约2mV。,2. 二极管的伏安特性,(a)二极管理论伏安特性,正向特性,2. 二极管的伏安特性, 反向特性反向电流：很小。 硅管 0.1微安 锗管 几十个微安受温度影响大： 温度每升高10 反向电流增加约1倍。 反向击穿特性反向击穿UBR:几十伏以上。,(a)
15、二极管理论伏安特性,反向击穿特性,反向特性,3. 二极管的主要参数,最大整流电流IF 最大反向工作电压UR 反向电流IR 最高工作频率fM,4. 二极管的等效电路及应用,二极管特性曲线的非线性，给二极管电路的分析带来一定困难。为了简化分析，常常要做一些近似处理，可用某些线性电路元件来等效二极管，画出二极管的等效电路。最常用的近似方法有二种。, 理想二极管等效电路,uD,iD,o,理想二极管等效电路,如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。, 考虑正向压降的等效电路,在二极管充分导通且工作电流不是很大时，二极管的正向压降UD变化不大（例如硅管约为0.60.8V），因此近似认为二极管正向导通时有一个固定的管压降UD（硅管取0.7V，锗管取0.2V），于是可用一固定电压源来等效正向导通的二极管。当外加电压UUD时，二极管不通，电流为零，相当于开路。图中画出了这种近似等效电路。, 考虑正向压降的等效电路,
