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1、哈尔滨工业大学 电工学教研室,第11章 常用半导体器件,返回,11.1 半导体的导电特性11.2 PN结11.3 半导体二极管11.4 稳压管11.5 半导体三极管,目 录,返回,电工和电子科学技术发展史,一、电学的早期发展1. 摩擦电研究，人物：迪费、马森布罗克、富兰克林。2流电研究，人物；伽伐尼、伏打。3静电的定量研究，人物：卡文迪许、库仑。,二、19世纪的电磁学 1电流的磁效应，人物：奥斯特、安培。2欧姆定律，人物：欧姆。3法拉第的电磁感应定律，人物：法拉第。4电磁理论之集大成麦克斯韦，人物：麦克斯韦。5电磁波的实验发现，人物：赫兹。,三、电力革命与电气时代（第二次工业技术革命）1电动机
2、与发电机，人物：皮克希、惠斯通、西门子。2发电站与远距输电，人物：德波里。3电灯、电影，人物：爱迪生。4电报，人物：亨利、莫尔斯。5电话，人物：贝尔。6无线电，人物：马可尼、波波夫。,四、电子技术与信息时代（第三次工业技术革命(第三次浪潮)1电子管、晶体管和集成电路，人物：弗莱明、德福雷斯特、肖克莱、基尔比。2无线广播，人物：费森登。3电视，人物：尼普科、兹沃里金。4电子计算机，人物：巴比奇、莫克莱、冯诺意曼。,模拟电子技术简介,电子二极管和三极管在20世纪头几年相继问世。真空电子二极管的发明使人类打开了电子文明的大门，而电子三极管的发明及其放大原理的发现，标志着人类科技史进入了一个新的时代：
3、电子时代。,发展史,1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。 1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管，并在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。 1945年，二次世界大战刚结束，贝尔实验室成立了一个固体物理研究组，主要成员有：物理学家肖克利、布拉顿、巴丁，还有一些电子线路专家、物理化学家、冶金学家的参与，在大家的共同努力下，终于在1947午12月23日研制成功了以锗为材料的第一只晶体管。并于1956年肖克利、布拉顿、巴丁共同获得诺贝尔物理学奖。,1958年美国科学家基尔比在德州仪器半导体实验室发明的集成电路改变
4、了整个电子世界，标志着微电子时代的到来。仙童公司的创始人之一高登.摩尔于1965年对微电子技术的发展做了一个预言。他认为，每过16个月集成电路的价格降低一半而性能增加一倍。这就是著名的摩尔定律。 集成电路由小规模、中规模，70年代发展到大规模集成电路，超大规模集成电路，日前已开始向巨大规模集成电路进军，今天的集成电路面积可达400500mm2，线宽可达0.2，集成电路存储器芯片能存储一部百科全书。,集成电路从20世纪50年代末出现至今，其发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的，以集成电路为核心的微电子技术已经渗透到现代通信、信息技术、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播
5、等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用。IC卡、电子表、录音机、DVD、MP3、电视机、电子玩具、电子游戏、计算机、手机、机器人、互联网等，进入人们的生活。MEMS是英文MicroElectronMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。,模拟电子电路初步,模拟电子电路就是处理模拟信号的电子电路。模拟电路中的电信号称模拟信号，它与变换成电信号前的信息信号在波形上几乎“一模一样”
6、，所以称模拟信号。模拟信号在时间上是连续的(不间断)，数值幅度大小也是连续不间断变化的信号(传统的音频信号、视频信号都是这种信号)。模拟电子电路通常由一些电阻、电容和电感和一些半导体器件所组成，所以在讨论和介绍模拟电子电路之前，先介绍一下一些常用的半导体器件。,11.1 半导体的导电特性,物质按导电能力来分：,1）导体：电阻率,2)绝缘体：电阻率,3)半导体：电阻率,11.1 半导体的导电特性,半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。,半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性,返回,半导体的种类,本征半导体就是完全纯净的半导体。杂质半导体在本征半导体中掺杂其它的微量元素。,本征半导体
7、就是完全纯净的半导体。,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.,硅的原子结构,返回,几个常用名词,1.价电子：最外层电子（四个价电子，是四价元素）。2.惯性核：除价电子以外的原子及原子核。3.共价键：相邻的两原子，各出一个价电子，构成共用的电子对，形成共价键结构。4.自由电子：获得一定的能量（高温或光照）后，共价键中的电子即可挣脱共价键的束缚，成为自由电子。5.空穴：在电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中留下一个空穴，这个空穴带正电。,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中的共价健结构
8、,11.1.1 本征半导体,返回,自由电子与空穴,11.1.1 本征半导体,共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中留下一个空穴。,返回,热激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 热激发,11.1.1 本征半导体,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,温度一定时，本征半导体中的自由电子空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多。,返回,半导体导电方式,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,载流子,自由电子和空穴,因为，温度愈高，载
9、流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。,11.1.1 本征半导体,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,返回,空穴的运动方式（空穴电流）与自由电子的运动方式有本质的区别。自由电子能在晶体中自由运动；空穴的移动是正离子吸引邻近的价电子造成的，即空穴的运动只能从一个束缚状态到另一个束缚状态。,注意：,半导体的种类,本征半导体就是完全纯净的半导体。杂质半导体在本征半导体中掺杂其它的微量元素，会改变半导体的导电能力，这种掺入杂质的半导体，称为杂质半导体。,11.1.2 杂质半导体,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入微量的
10、五价磷（或其它五价元素）。,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,电子型半导体或N型半导体,返回,11.1.2 N型半导体和P型半导体,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入三价硼（或其它三价元素）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或P型半导体。,返回,11.1.2 N型半导体和P型半导体,注意： 不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,返回,11.1 半导体的导电特性11.2 PN结11.3 半导体二极管11.4 稳压管11.5 半导体三极管,目 录,返回,11.2 PN结,11.2.1 PN结的形成,返回,PN结是由扩散
11、运动形成的。,11.2.1 PN结的形成,返回,内部运动：空间电荷区的电荷不能移动，不能参与导电；载流子数目少，其电阻率很高。内电场对多数载流子的的扩散起阻碍作用，又称其为阻挡层。尽管内电场对多数载流子的运动起阻碍作用，但是可推动两个区域内的少数载流子的越过空间电荷区，进入对方区域。少数载流子在内电场的作用下的有规则运动称为飘移运动。,11.2.1 PN结的形成,总之：存在着两种运动：1）一种是多数载流子由于浓度差别而产生的扩散运动；2）另一种是少数载流子在内电场的作用下产生的飘移运动。这两种运动相互联系，又相互矛盾。,11.2.1 PN结的形成,过程：,开始，多数载流子的扩散占优势，随着空间
12、电荷区的加宽，内电场加强，扩散运动逐渐减少；少数载流子的飘移运动则逐渐加强；最后，扩散运动和飘移运动达到动平衡。例：P区的空穴向N区扩散的数目与N区的空穴向P区的飘移的数目相等。空间电荷区稳定下来，PN结处于稳定状态，对外呈电中性。,11.2.1 PN结的形成,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,返回,PN结外加正向电压：指外电源的正极接PN结的P区，外电源的负极接PN结的N区。PN结外加反向电压：指外电源的正极接PN结的N区，外电源的负极接PN结的P区。,11.2.2 PN结
13、的单向导电性,11.2.2 PN结的单向导电性,外加正向电压使PN结导通,外电场与内电场的方向相反，外电场使P区空穴和N区的电子进入空间电荷区，使电荷区变窄，使得扩散加强。导通。电流从P区指向N区，即空穴的运动方向。PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流正向电流,返回,11.2.2 PN结的单向导电性,外加反向电压使PN结截止,一方面，内外电场方向相同，靠近电荷区的空穴和电子被驱走，PN结加宽，多数载流子的扩散难于进行。另一方面，内电场的增强，使得少数载流子的飘移运动加强，形成反向电流。由于载流子数目小，电流不大。,返回,PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电
14、流 -反向电流 特点: 受温度影响大原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的,11.2.2 PN结的单向导电性,结 论,PN结具有单向导电性,（1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。,（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。,返回,End,11.1 半导体的导电特性11.2 PN结11.3 半导体二极管11.4 稳压管11.5 半导体三极管,目 录,返回,11.3 半导体二极管,11.3.1 基本结构11.3.2 伏安特性11.3.3 二极管的主要参数11.3.4 应用举例11.3.5 发光二极管,返回,PN结面积小，通过电流小，但高频特
15、性好，多用于高频和小功率电路。,11.3.1 基本结构,PN结面积大，工作频低，一般用于整流电路。,11.3.1 基本结构,11.3.1 基本结构,11.3.2 伏安特性,半导体二极管的伏安特性是非线性的。,返回,11.3.2 伏安特性,外加电压低时，还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散的阻力，电流小 当正向电压超过一定数值时，内电场被大大削弱，电流增长很快。,1 正向特性,死区电压：这一数值的电压称为死去电压。与温度和环境有关 硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。 正向压降： 硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。,11.3.2 伏安特性,1 正向特性,返回,正向压降： 硅管：0.60.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。,11.3.2 伏安特性,二极管一旦导通，其两端电压近似为一常数。,此电压为二极管的管压降。,反向电流：反向饱和电流：反向击穿电压U（BR）,11.3.2 伏安特性,2 反向特性,反向电流：由于少数载流子的漂移运动，形成反向电流。,11.3.2 伏安特性,2 反向特性,返回,特点：1）随温度的升高增长很快；2）当不超过某一范围时，反向电流的大小基本不变，而与反向电压大小无关，称为反向饱和电流。,
