电工电子技术第六章

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1、电工电子技术第六章电工电子技术第六章本文由 delialeea 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第 6 章 常用半导体器件 章6.1 半导体基础知识 6.2 半导体二极管 6.3 稳压二极管 6.4 晶体管6.1 半导体基础知识6.1.1 半导体的分类在我们的自然界中，各种物质按导电能力划分为导体、 绝缘体、半导体。半导体 半导体指的是导电能力导体和绝缘体之 半导体 间的物质 半导体材料的最外层轨道上的电子是 4 个，根据其特性， 可以将半导体材料分成以下五类： 1.元素半导体 元素半导体大约有十几种，它们处于AA 族的金 属与非

2、金属的交界处，例如Ge（锗） ，Si（硅） ，Se （硒） ，Te（碲）等。2. 化合物半导体 （1）二元化合物半导体。 二元化合物半导体有五类： 第一类：A 族和A 族元素组成的化合物半导体，即 Al（铝） ，Ga（镓） ，In（铟） ，P（磷） ， As（砷） ，Sb（锑）组成的化合物半导体， 例如 AsP ，AlAs ，GaP 等。第二类：B 族和A 族元素组成的化合物半导体， 即Zn，Hg， Cd 和 S ，Se，Te 组成的化合 物半导体，例如 CdS，CdTe等。 第三类：A 族元素之间组成的化合物半导体，例如 SiC 等。 第四类：A 与A 族元素之间组成的化合物半导 体，例如G

3、eS，GeSe，SnTe 等。 第五类：A 和A 族元素组成的化合物半导 体，例如 AsSe3，AsSe3 等。（2）多元化合物半导体。 多元化合物半导体有三类： 第一类：BA(A)2 组成的多元化合物半导体， 例如 AgGeTe2 等。 第二类：BA（A）组成的多元化合物半导体， 例如AgAsSe2 等。 第三类：(B)2BA(A)4 组成的多元化合物 半导体，如 Cu2CdSnTe4 等。 。3.固溶体半导体 固溶体半导体 固溶体是由二个或多个晶格结构类似的元素化合物互 溶而成。又有二元系和三元系之分，例如AA 组成的 GeSi 固溶体，AA 组成的 BiSb 固溶体，它们是二 Ge Si

4、 A A Bi Sb 元系。 由三种组元互溶的固溶体有：（AA）（A A）组成的三元化合物固溶体， GaAsGaP 组成的镓 砷磷固溶体和（BA） （BA）组成的三元化合 物固溶体， HgTeCdTe 两个二元化合物组成的三元化合 物固溶体等。4.非晶态半导体 非晶态半导体 原子排列短程有序、长程无序的半导体称为非晶态半 导体，主要有非晶 Si、非晶 Ge、非晶 Te、非晶 Se 等元素 半导体及 GeTe，As2Te3，Se2As3 等非晶化合物半导体。 5.有机半导体 有机半导体 有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物和 高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳碳双键有 机化合物。6.1

5、.2 本征半导体和掺杂半导体1.本征半导体 纯净而且结构完整的半导体称为本征半导体 本征半导体，它未经人 本征半导体 为的改造，具有这种元素的本来特征。 在绝对零度时，半导体所有的价电子都被束缚在共价键中， 不能参与导电，此时半导体相当于绝缘体。当温度逐渐升高或 受光照时，由于半导体共价键重的价电子并不像绝缘体种束缚 得那样紧，价电子从外界获得一定的能量，少数价电子会挣脱 共价键的束缚，成为自由电子 自由电子，同时在原共价键处出现一个空 自由电子 位，这个空位称为空穴 空穴。显然，自由电子和空穴是成对出现的，空穴 所以称它们为电子空穴对 电子空穴对。 电子空穴对我们把在热或光的作用下，本征半导

6、体中产生电子空穴对 的现象，成为本征激发 本征激发，又称为热激发。而本征半导体中有自 本征激发 由电子和空穴两种载流子，如图 6-1 所示。本征半导体在电场作 用下，电子和空穴两种载流子作定向运动，形成电流。+4 +4 自 由 电 空 子 穴+4 空穴+4图 6-1 本征激发2.掺杂半导体 在本征半导体中，若掺入微量的五价或三价元素，会使其 导电性能发生显著变化。掺入的五价或三价元素称为杂质 杂质。掺 杂质 有杂质的半导体称为掺杂半导体 掺杂半导体或杂质半导体，按掺入杂质元 掺杂半导体 素不同，掺杂半导体可分为 N 型半导体和 P 型半导体两种。（1）N 型半导体 。 在本征半导体中掺入微量的

7、五价元素，例如磷、砷、锑等， 就形成 N 型半导体。掺入的五价元素后，半导体的晶体结构基 本不变，只是在个别的位置上，例如某个硅（或锗）原子被五 价原子取代，如图 6-2（a）所示。因为五价原子有五个价电子， 它与相邻的四个原子构成完整的共价键后，还剩余一个价电子。 这个剩余的价电子在获得外界能量时，比其他共价键上的电子 更容易脱离原子核的束缚而成为自由电子。这就显著提高了其 导电的能力。在本征半导体中掺入五价元素后，热激发照样进行。因此， 当达到平衡状态时，自由电子的浓度就远远大于空穴的浓度， 其导电能力主要由自由电子决定，故称为 N 型半导体。在 N 型半 导体中，自由电子占多数，称为多数

8、载流子，简称多子；空穴 占少数，称为少数载流子，简称少子。+4 +4 +4+4 磷原子+5+4 自由电子图 6-2（a） N 型半导体（2）P 型半导体。 在本征半导体中掺入微量的三价元素，如硼、铝、锢等， 就形成 P 型半导体。同理，掺入的三价元素后，半导体的晶体 结构基本不变，只是在个别的位置上，例如某个硅（或锗） 原子被三价原子取代，如图 62（b）所示。因为三价原子只 有三个价电子，它与相邻的四个原子只能构成三个完整的共 价键，还有一个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位。 常温下，所有的价键电子都具有足够的能量来填补这个空位， 从而产生一个空穴，因而它在外界能量作用下更容易夺取相 邻

9、原子的电子，这种半导体中就有大量的空穴。也显著提高 了其导电的能力。在本征半导体中掺入三价元素后，热激发照样进行。因此， 当达到平衡状态时，的空穴浓度就远远大于自由电子的浓度， 其导电能力主要由空穴决定，故称为 P 型半导体。在 P 型半导体 中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载流子。+4 +4 +4+4 硼原子+3+4 空穴图 6-2（b） P 型半导体6.1.3 PN 结及其单向导电性 结及其单向导电性1.PN 结的形成 P 型半导体或 N 型半导体的导电能力虽然大大增强，但 是并不能直接用来制造半导体器件。通常在一块完整的晶片 上，通过一定的掺杂工艺，一边形成 P 型半导体，另一边

10、形 成 N 型半导体。则在两者的交界处，会形成一个特殊的区域， 称之为 PN结。PN 结是构成半导体器件的基本单元。 结当 P 型半导体与 N 型半导体紧密地结合在一起时，由于在交 界面两侧，空穴与自由电子都存在着很大的浓度差。因此，两 者都必将产生扩散运动，P 区的多子空穴向 N 区扩散，并且与 N 区的自由电子复合；N 区的多子自由电子向 P 区扩散，并且与 P 区的空穴复合，如图 6-3（a）所示。图 6-3（a）多子的扩散运动图 6-3（b） PN 结示意图这样在 P 区一侧就因失去空穴而留下不能移动的负离子，而 在 N 区一侧就因失去自由电子而留下不能移动的正离子，这些 离子被固定排

11、列在晶格里，不能移动，所以它们并不参与导电， 这样，在交界面两侧就形成一个空间电荷区，并产生内建电场 或势垒电场，其方向是由 N 区指向 P 区，如图 6-3（b） 。内建电 场的产生阻碍了多子的扩散运动，而多子的扩散又逐渐增强内 建电场。所以多子的运动会逐步减弱，直至停止，使交界面形 成一个稳定的特殊的薄层，即 PN 结。2.PN 结的单向导电性 在 PN 结的两端外加电压，称为 PN 结偏置电压 结偏置电压。PN 结的偏 结偏置电压 置方式不同，变现出的特性也就不同。 （1）PN 结的正向偏置。 给 PN 结加正向偏置电压，即 P 区接电源正极，N 区接电源 负极，此时称 PN 结为正向偏

12、置，简称正偏，如图 6-4（a）所示。 PN 结正偏时，由于外加电源产生的外加电场方向与内建电场方 向相反，使内建电场的一部份被抵消，空间电荷区变窄，对多 子扩散的阻碍作用减弱。因此，PN结两边的多子，在浓度差的 作用下作扩散运动，穿过空间电荷区形成正向电流 IF，此时 PN 结出与正向导通状态。IP 区 外电场N 区+U内电场 R图 6-4(a) PN 结正向偏置（2）PN 结的反向偏置。 给 PN 结加反向偏置电压，即 N 区接电源正极，P 区接电源 负极，此时称 PN 结为反向偏置，简称反偏，如图 6-4（b）所示。 PN 结反偏时，由于外加电源产生的外加电场方向与内建电场方 向相同，使

13、内建电场被加强，空间电荷区变宽，对多子扩散的 阻碍作用增强，多子的扩散运动被阻止，不能参与导电。但在 增强的内建电场作用下，会推动 PN 结两边的少子做漂移运动穿 越空间电荷区，然后在外加电源的作用下流出外电路，形成反 向电流 IS。由于少子浓度很低，所以由此形成的反向电流很小，通常可以忽略不计。PN 结的这种工作状态称为反向截止状态。IP 区N 区内电场 外电场 U+R图 6-4(b) PN 结反向偏置综上所述，PN 结具有单向导电性，即加正向电压时导通， 加反向电压时截止。6.2 半导体二极管6.2.1 二极管的结构在实际应用中，在形成 PN 结的 P 型半导体上和 N 型半导体 上，分别

14、引出两根金属引线，并用外壳封装起来，就制成了一 个半导体二极管。由 P 区引出的线称为阳极 阳极（或正极） ，由 N 区 阳极 引出的线称为阴极 阴极（或负极） ，如图 6-5（a）所示。二极管的 阴极 电路符号和文字符号如图 6-5（b）所示。外壳 （阳极） （阳极） （阴极）P N D（阴极）+-+-阳极引线阴极引线图 6-5（a）内部结构示意图图 6-3（a）电路符号和文字符号按二极管的结构不同，分为点接触型二极管、面接触型二 极管和平面型二极管三类。 （1）点接触型二极管。结构如图 6-6（a）所示，它的特 点是 PN 结的面积非常小，因此不能通过大电流；但高频性能好， PN 故适于高

15、频和小功率工作，多用于小功率整流、高频检波和脉 冲电路。（2）面接触型二极管。结构如图 6-6（b）所示。它的主 要特点是 PN 结的结面积很大，可通过较大的电流；但工作频率 低，主要应用于整流。近期由于电子产品的微型化和轻量化， 片状的贴片元器件发展极为迅速，面接触型二极管为无引线或 短引线微型元器件，可直接安装于印刷电路板表面，在微型手 录放机、移动手录放机、移动通信设备、高频电子仪器设备、 微型计算机等领域得到广泛应用。（3）平面型二极管。结构如图 6-6（c）所示。它往往用于 集成电路制造工艺中，PN 结面积可大可小，用于高频整流和开 关电路中。（a）点接触型二极管（b）面接触型二极管

16、（c）平面型二极管6.2.2 二极管的伏安特性半导体二极管的核心是 PN 结，它具有单向导电性。常用伏 安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。所谓伏安特性， 是指二极管两端电压和流过二极管电流的关系。若以电压为横 坐标，电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑 的曲线连接起来，就形成二极管的伏安特性曲线，如图 6-7 所示。图 6-7 二极管的伏安特性图 6-7 中，实线为硅管的伏安特性，虚线为锗管的伏安特 性。由图可知： （1）外加正向电压。 当外加正向电压很小时，由于外电场还不能克服内建电场对 扩散运动的阻碍作用，所以正向电流很小，几乎为 0；外加正 向电压逐渐增加，当其超过一定数值后，电流增长很快，这个 一定数值的正向电压称为死区电压（或门槛电压）。其大小与 管子的材料及环境温度有关，一般硅管的死区电压约为0.5V， 锗管约为 0.2V；当外加正向电压超过死区电压时，正向电流就 会急剧地增大，二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅 管的正向导通压降约为 0.6