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1、(11-1),第十一章 常用半导体器件,自动化与电子信息学院 电工学教研组,(11-2),第11章 常用半导体器件,本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。,(11-3),第十一章 常用半导体器件, 11.1 半导体的基础知识与PN结 11.2 半导体二极管 11.3 特殊二极管 11.4 晶体三极管 11.5 场效应晶体管,(11-4),11.1 半导体的基础知识,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入
2、某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、晶体管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,(11-5),1.本征半导体（纯净半导体）,一、本征半导体的结构特点,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,(11-6),1 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,(11-7),共价键中的两个电子被紧
3、紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,(11-8),二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,(11-9),自
4、由电子,空穴,束缚电子,二、本征半导体的导电机理,带电粒子（即载流子）,(11-10),2.本征半导体的导电机理,思考:空穴和自由电子的移动方向相反，所形成的电流方向是否也相反？,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,(11-11),温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,(11-12),2. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性
5、能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,negative,positive,(1-13),2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,(1-14),2
6、 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,(11-15),1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体
7、中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,(11-16),金属和半导体的导电机理有何不同？,金属是自由电子的移动产生电流；半导体的空穴和电子移动产生电流，但由于多子和少子的数量相差很大，起导电作用的主要是多子。,(1-17),11.1.2 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,(11-18),1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P
8、区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,(11-19),PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,思考：正向偏置和反向偏置对内电场的作用有何不同？,(11-20),R,E,一、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(11-21),二、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,(11-22),
9、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,(11-23),PN结的单向导电性,正向偏置和反向偏置时，流过PN结的电流有何不同？理想情况下，正向偏置和反向偏置时，PN结在电路中的作用有何不同？,正向偏置：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,反向偏置：PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流-反向电流,(11-24),11.2 半导体二极管,(11-25),11.2 半导体二极管,D,(11-26),二、伏安特性,死区电压 硅管
10、0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,不同区域二极管在电路中的作用有何不同？,(1-27),主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，
11、为硅管的几十到几百倍。,(11-28),二极管电路分析举例,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 V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,(11-30),两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 =
12、 V2阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,(11-31),ui 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3：,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,(11-32),二极管应用举例,主要利用二极管的
13、单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例: 图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。（两个二极管均为锗二级管，正向压降0.3V）,VY=+2.7V,解：,DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。,DA起钳位作用， DB起隔离作用。,(11-33),二极管的应用举例,(11-34),11.3 特殊二极管,11.3.1 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,(11-35),（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允
14、许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,正向电压还是反向电压？,(11-36),稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,(11-37),令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,(11-38),符号,光的颜色视发光材料的波长而定。如采用磷砷化镓，可发出红光或黄光；如采用磷化镓，可发出绿光。它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，
15、1.53V，电流为几 几十mA。,发光二极管,11.3.2 发光二极管,当在发光二极管（LED）上加正向电压，并有足够大的正向电流时，就能发出可见的光。这是由于电子与空穴复合而释放能量的结果。,(11-39),11.3.3光电二极管,将光信号转换为电流信号。,符号,发光二极管,光电二极管是在反向电压作用下工作。当无光照时，和普通二极管一样，其反向电流很小。当有光照时，其反向电流增大，称为光电流。,光电二极管,(11-40),11.4 晶体三极管,(11-41),(11-42),11.4 晶体三极管,11.4.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,(11-43),NPN型三极管,PNP型三极管,(11-44),基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,集电结,发射结,结构特点：,
