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1、6.1 半导体的基本知识,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,常见半导体材料有硅、锗、硒及金属的氧化物和硫化物等。纯净半导体的导电能力很差。,半导体特性：,热敏特性:温度升高导电能力增强（如钴、锰、镍的氧化物做成的热敏电阻）。光敏特性:光照增强导电能力增强（如镉、铅等硫化物做成的光敏电阻）。掺杂特性:掺入少量杂质导电能力增强。,6.1.1 本征半导体,完全纯净、具有晶体结构的半导体,最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。,Si,Ge,共价键,本征半导体晶体中的共价健结构：,每个原子与相邻的四个原子结合。,每个原子的一个价电子与相
2、邻原子的一个价电子组成一电子对，由相邻原子共有，构成共价键结构。,共价键价电子,共价键,价电子,自由电子和空穴同时产生,半导体导电方式,激发,自由电子,温增/光照,外加电压,电子电流,离开,剩空穴（原子带正电）,外加电压,吸引相邻原子价电子填补空穴,好像空穴在运动,空穴电流,与金属导电的区别,硅原子,自由电子,硅原子,半导体中的自由电子和空穴都能参与导电半导体具有两种载流子。,共价键,价电子,小结,本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好温度对半导体器件性能影响很大,6.1.2 N型
3、半导体和P型半导体,在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。,如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。,由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类N型半导体和 P型半导体,1. N型半导体,当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素)时，磷原子与周围四个硅原子形成共价键后，磷原子的外层电子数将是 9 ，比稳定结构多一个价电子。,P,1. N型半导体,掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。这种半导体主要靠自由电子导电，称之为电子半导体或N型半导体。,在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。,室
4、温情况下，本征硅中载流子有1.51010个/cm3，当磷掺杂量在106量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。,当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素)时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼原子的外层电子数将是 7 ，比稳定结构少一个价电子。,B,2. P型半导体,综上所述，由于掺入杂质的不同，产生了N型半导体和P型半导体。杂质半导体中载流子的浓度远大于本征半导体中载流子的浓度，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个半导体晶体仍是电中性的。,掺硼半导体中，空穴数目远大于自由电子数目。主要靠空穴导电,称为空穴半导体或P型半导体。 空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子。,因为载流子带正电
5、或负电，原子则相反带负电或带正电，整个晶体不带电。,？,6.1.3 PN结及其单向导电性,半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。,各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。,1.PN结的形成,P,N,N区一侧因失去电子而留下带正电的离子，P区一侧因失去空穴而留下带负电的离子。,交界处多数载流子扩散到对方并复合掉,内电场阻碍了多子的继续扩散，推动少子的漂移运动，最终达到动态平衡，空间电荷区宽度一定,P区空穴多,N区自由电子多,内电场,耗尽了载流
6、子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；,载流子的运动有两种形式：,扩散 由于载流子浓度梯度引起的载流子从高浓度区向低浓度区的运动。,漂移 载流子受电场作用沿电场力方向的运动。,耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡，这样的耗尽层就是PN结,PN结内电场的方向由N区指向P区。,1.PN结的形成,2.PN结的单向导电性,1) 加正向电压,扩散增强,漂移变弱.,I,+,+,-,外电场方向与内电场方向相反，外电场削弱了内电场，使空间电荷区变薄.,PN结两侧的多数载流子能顺利地通过PN结形成较大的正向电流.,外电源不断提供电荷维持电流,PN结呈现低阻导通状态,2) 加反向电压,将外电源
7、的正端接N区、负端接P区。,外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽。扩散运动变弱，漂移运动增强，参与漂移运动的载流子是少子，反向电流极小。,P,N,I0,少子是由热激发产生的，即温度愈高少子的数量愈多，故温度对反向电流的影响很大。,PN结具有单向导电性，即正向导通、反向截止,2.PN结的单向导电性,PN结呈高阻截止状态,6.2 半导体二极管6.2.1 基本结构,将PN结加上电极引线及外壳，就构成了半导体二极管。 PN结是二极管的核心。根据所用材料不同，二极管有硅二极管和锗二极管两种。,二极管由 PN 结构成，具有单向导电性。硅二极管的电流-电压关系 (伏安特性)如图：,由电压零点分为正向区和反
8、向区。,正向：由死区电压分为死区和导通区 (Si-0.5V Ge-0.1V),0-0.5v:正压低外电场小于内电场正向电流 00.5v:正压高外电场大于内电场内电场大大削弱正向电流大,6.2.2 伏安特性,死区,导通区,正向导通压降： Si 0.60.7V Ge 0.20.3V,截止区:负压小漂移强(少子)很小反向电流反向饱和电流。,反向：由击穿电压分为截止区和击穿区。,6.2.2 伏安特性,击穿区:负压大二极管失去单向导电性击穿反向击穿电流不可逆。,击穿原因：碰撞和非碰撞,碰撞:强电场中载流子获大能量碰撞晶格价电子弹出，产生电子空穴对即新的载流子再碰撞晶格雪崩反应，反向电流越来越大反向击穿。
9、,非碰撞:强电场直接将共价键中价电子拉出，产生电子空穴对，形成较大反向电流。,二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一些数据进行说明,这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有：,1. 最大整流电流IOM 二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。,2. 反向工作峰值电压URWM 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，为反向击穿电压的1/2至2/3。,3. 反向峰值电流IRM 二极管加反向峰值电压时的反向电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差，硅管的此参数值为微安级以下。,6.2.3 主要参数,4. 最高工作频率fM 二极管能承受的外施电压的最高频率。若超过则失去单向导电性。PN结两侧
10、的空间电荷与电容极板充电时所储存的电荷类似，称为结电容,6.2.4 二极管的应用,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通若 V阳 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例2：,二极管的用途： 整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,6.3 稳压二极管6.3.1 伏安特性,稳压管是一种特殊的面接触型二极管。它在
11、电路中常用作稳定电压的作用，故称为稳压管。,稳压管的图形符号：,稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，只是反向曲线更陡一些。,6.3.1 伏安特性,稳压管正常工作于反向击穿区，常见电路如下：,在电路中稳压管是反向联接的。当U i大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿（在一定的电流范围内可逆），电流将增大，电阻R两端的电压增大，稳压管两端的电压基本不变，输出电压U o等于U z 。,1、稳定电压Uz 指稳压管正常工作时的端电压。 同一型号稳压管UZ 也不一定相等。,2、稳定电流IZ 正常工作的参考电流值。 每种型号稳压管都规定有一个最大稳定电流IZM，超过它，易发生热击穿（不可逆），稳压管损毁,I
12、ZIZM。,6.3.2 主要参数,3、电压温度系数 U,说明稳压值受温度影响的参数，越小越好。,如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095% / C 假如在20 C时的稳压值为11V，当温度升高到50 C时的稳压值将为,特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。,因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。,6.3.2 主要参数,4、动态电阻rZ 稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比。稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压效果越好。,5、最大允许耗散功耗PZM 保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。,其值为稳定电压和允许的最大电流乘积,6.3.2 主要参数,例,电路如图，
13、通过稳压管的电流IZ等于多少？,解：,UR=20-12=8V,IZ=IR=8/1.6=5mA0时二极管导通， uo=u2,u20时二极管截止，uo=0,二极管承受的最大反向电压：,单相半波整流电压的平均值为,整流电流的平均值为,通过二极管的平均电流：,【例】有一单相半波整流电路，已知变压器副边电压U=20 V，RL=900 ，试求UO、IO及UDRM，并选用二极管。,解,查二极管参数，选用2AP4(16mA, 50V)。为了使用安全此项参数选择应比计算值大一倍左右。,2. 单相桥式整流电路,单相半波整流只利用了电源的半个周期，整流输出电压低，脉动幅度较大。为此采用单相桥式整流电路，由四个二极管接成电桥的形式。,
