东北大学电子电路PPT

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1、电电 工工 学学第1章 半导体器件半导体的基础知识半导体的基础知识1.1PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性1.2半导体二半导体二极管极管1.3稳压二极管稳压二极管1.4双极型晶体管双极型晶体管1.51.1.11.1.1 本征半导体本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体（常用硅、锗等四价元素构成）。半导体（常用硅、锗等四价元素构成）。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式+41.1 半导体的基础知识 图1-1晶体共价键结构平面示意图Si Si SiSiSiSi SiSi Si共价键如何导电？共价键中的两个电子，称

2、为共价键中的两个电子，称为价电子价电子。价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后， 即可挣脱原子核的束缚，成为即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子自由电子（带负电），同（带负电），同 时共价键中留下一个空位，称为时共价键中留下一个空位，称为空穴空穴（带正电）（带正电）。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理B A空穴自由电子图1-2晶体共价键结构平面示意图Si Si SiSiSiSi SiSiSiC共价键自由电子和空自由电子和空 穴成对出现穴成对出现空穴的运动实 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B A空穴自由

3、电子图1-3晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键空穴的运动在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子 来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当 于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理：本征半导体的导电机理：当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现 两部分电流两部分电流 ：(1)(1)自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流(2)(2) 空穴空穴 运动运动空穴电流空

4、穴电流说明：说明：(1) (1) 本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少, , 其导电性能很差；其导电性能很差；(2) (2) 温度愈高，温度愈高， 载流子的数目愈多载流子的数目愈多, ,半导体的导电性能半导体的导电性能 也就愈好。也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和自由电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成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，称为为这种半导体的主要导电方式，称为N N型半导体。型半导体。掺入五价元素（如磷掺入五价元素（如磷P P

5、）。）。在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）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。形成杂质半导体。1.1.2 N1.1.2 N型半导体和型半导体和 P P 型半导体型半导体N型半导体：+5B在室温下就可以 激发成自由电子掺入五价原子占 据Si原子位置自由电子图1-2晶体共价键结构平面示意图Si Si SiSiSiP SiSiSiC共价键在在N N 型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子，自由电子是多数载流子，空穴是空穴是 少数载流子。少数载流子。N型半导体：P P 型半导体：型半导体：掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量 增加，空穴导电成为增加，空穴导电成为 这

6、种半导体的主要导这种半导体的主要导 电方式，称为空穴半电方式，称为空穴半 导体或导体或 P P型半导体。型半导体。掺入三价元素（如：硼掺入三价元素（如：硼B B）空位B+4+4+4+4+4+3+4+4+4+3在在 P P 型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，自由电子是自由电子是 少数载流子。少数载流子。半导体的特性：半导体的特性：( (可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻) )。掺杂性：掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变能力明显改变( (可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导体器件，如二

7、极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化 ( (可做可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等管、光敏三极管等) )。热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强2. 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与（a. a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。3. 3. 当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 （a. a. 减少、减少、b. b. 不变、不变、c.

8、c. 增多）。增多）。a ab bc c1. 1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a. a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。4. 4. 在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，P P 型半导体中的电流型半导体中的电流主要是主要是 ，N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。 （a. a. 电子电流、电子电流、b.b.空穴电流）空穴电流） b b a a无论无论N N型或型或P P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。5.5.是否是否N N型半导体带负电，型半导体带负电，P P型半导体带正电？型半导体带正

9、电？1.2 PN1.2 PN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性1.2.11.2.1 PN PN结的形成结的形成扩散运动：多数载流子的浓度差产生的运动。漂移运动：少数载流在电场作用下产生的运动。多数载流子是 电子，少数载 流子是空穴。多数载流子是 空穴，少数载 流子是电子。PN结：在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空 间电荷区。扩散运动形成空间电 荷区内电场扩散的结果使空间 电荷区变宽。内电场越强，漂移运动越强，而 漂移使空间电荷区变窄。P区N区平衡状态下的PN结：多数载流子产生的扩散运动使内电场增强，少数载流子在内电场作用下产生漂移运动削弱内电场。当扩散运动与漂移 运动达到动态平

10、衡（扩散运动=漂移运动）时，即形成稳定的 PN结。外电场内电场1.2.2 PN结导电特性 uPN结外加正向电压 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。P区N区+RuPN结外加反向电压 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。-+RN区P区外电场内电场PN结导电特性:uu PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，较大，正向电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。uu PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流结变宽，反向电流较小，反

11、向电阻较大，较小，反向电阻较大，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。结论：PN 结具有单向导电性。1.31.3 半导体二极管半导体二极管1.3.1 1.3.1 基本结构基本结构(a) (a) 点接触型点接触型(b)(b)面接触型面接触型结面积小、结面积小、 结电容小、正结电容小、正 向电流小。用向电流小。用 于检波和变频于检波和变频 等高频电路。等高频电路。结面积大、结面积大、 正向电流大、正向电流大、 结电容大，用结电容大，用 于工频大电流于工频大电流 整流电路。整流电路。金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳( a ) 点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结 金锑合金底座阴极引线 ( b

12、 ) 面接触型图 1 12 半导体二极管的结构和符号 二极管的结构示意图二极管的结构示意图阴极阳极( c ) 符号VDPN整流二极管高频开关二极管节能灯用优质二极管桥堆（桥式二极管）1.3.2 1.3.2 伏安特性伏安特性硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管0 0.1V.1V。反向击穿电压U(BR) 导通压降导通压降外加电压大于死区电外加电压大于死区电 压二极管才能导通。压二极管才能导通。外加电压大于反向击外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。失去单向导电性。正向特性正向特性反向特性特点：非线性特点：非线性硅硅0 0.60.8V.60.8V 锗锗0 0.

13、2.20.3V0.3V UI死区电压死区电压PN+PN+反向电流反向电流 在一定电压在一定电压 范围内保持范围内保持 常数。常数。1.3.3 1.3.3 主要参数主要参数1. 1. 最大整流电流最大整流电流 I IOMOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。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. 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压U URMRM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二 极管反向击穿电压极管反向击穿电压U UBRBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向的一半或三分之二。二极管击穿后单

14、向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 3. 反向峰值电流反向峰值电流I IRMRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大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，说明管子的单向导电性差，I IRMRM受温度的影响，温度越高反受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为锗管的反向电流较大，为 硅管的几十到几百倍。硅管的几十到几百倍。二极管二极管的单向导电性的单向导电性1. 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正

15、、阴 极接负极接负 ）时，）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态，二极管正 向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。2. 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴 极接正极接正 ）时，）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反 向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。3. 3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失 去单向导电性。去单向导电性。4. 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反二极管的反向电流受温度的影响，温度

16、愈高反 向电流愈大。向电流愈大。uu 二极管电路分析举例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 截止否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅0 0.60.7V.60.7V 锗锗0 0.2.20.3V0.3V分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压的高低或所加电压U UD D的正负。的正负。若若 V V阳阳 VV阴阴或或 U UD D为正为正( ( 正向偏置正向偏置 ) )，二极管导通，二极管导通若若 V V阳阳 VV阴阴 二极管导通二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，U UABAB = 6V6V否则，否则， U U