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1、模拟,电子技术基础,设计/制作/主讲：谭诚臣,适用于理工科电子信息类专业,第一章 半导体器件基础,1.3 三极管及其伏安特性,1.2 二极管及其应用,1.1 半导体与 PN结,1.4 晶体管检测与型号命名法,1.1.1半导体的特性,物体分类,导体：导电率为105s.cm-1，量级，如金属,绝缘体：导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级，如：塑料,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。, 半导体特性,掺入杂质则导电率剧增且可控,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光照特性,1.1 半导体与
2、PN结,1.1.2 本征半导体,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,硅原子和锗原子的简化模型图,1.1.2 本征半导体,本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。,实际上半导体的晶格结构是三维的,晶格结构,共价键结构,1.1.2 本征半导体,从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体
3、那样好。,在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。,受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。,由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，失掉电子的原子变成带正电荷的离子。,由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。,“本征激发” 动画演示,1.1.2 本征半导体,1.1.2 本征半导体,受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。,价电子填补空穴的现象称为
4、复合。参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。,1.1.2 本征半导体,自由电子的运动可以形容为没有座位的人的移动；空穴的运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。,半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。,1.1.2 本征半导体,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,它们是成对出现的,2. 在外电场的作用下，产生电流, 电子流和空穴流
5、,电子流,自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,1.1.3 掺杂半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体，也称电子型半导体,N型半导体：,+5,+5,掺入的五价元素，如：P,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,1.1.3 掺杂半导体,P型半
6、导体：,+3,+3,掺入的三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,1.1.3 掺杂半导体,1.2.1 PN结的形成 1.2.2 PN结的单向导电性 1.2.3 二极管的结构 1.2.4 二极管的伏安特性 1.2.5 二极管的主要参数 1.2.6二极管的简单应用,1.2 二极管及其应用,1.2.1 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,扩散的结果使空间电荷区变宽。,形成空间电荷区,1、扩散运动,由于浓度不同，多子运动，形成内电场，阻碍了多子
7、继续扩散。,2、漂移运动,少子在内电场的作用下形成漂移运动。,3、扩散=漂移，动态平衡,1.2.1 PN结的形成,动画演示：, 内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V,接触电位V决定于材料及掺杂浓度,1.2.1 PN结的形成,硅：V=0.7 锗：V=0.2,1.2.1 PN结的形成,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,多子的扩散=少子的漂移，达到动态平衡，形成PN结。,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。 于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大
8、。 扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,1.2.2 PN结的单向导电性,1.2.2 PN结的单向导电性,PN结正向偏置,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。 PN结呈现高阻性,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,1.2.2 PN结的单向导电性,1.2.2 PN结的单向导电性,PN结反向偏置,结
9、论：PN结具有单向导电性。,PN结具有单向导电性,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,小结：,思考题： 如果输入信号为交流电呢？,PN结的反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。, 雪崩击穿：,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增, 齐纳击穿：,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。, 热击穿：,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高
10、，导致PN结过热而烧毁！,不可逆击穿,击穿是可逆的。 掺杂浓度小的二极管容易发生,击穿是可逆的。 掺杂浓度大的二极管容易发生,1.2.2 PN结的单向导电性,1.2.3 二极管的结构, 晶体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管,二极管按结构分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小， 用于高频场合,PN结面积大，用 于低频大电流场合,PN 结面积可大可小 常用于高频和开关电路中。,半导体二极管图片,1.2.3 二极管的结构,半导体二极管图片,1.2.3 二极管的结构,半导体二极管图片,1.2.3 二极管的结构,一、PN结的伏安方程,UT = 26 mV,反向
11、 饱和电流,当T = 300（27C）,二、二极管的伏安特性,正向特性,Uon,iD = 0,Uon = 0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uon,iD 急剧上升,0 U Uon,UD = 0.6 0.8 V,硅管0.7 V,0.1 0.3 V,锗管0.2 V,反向特性,IS,U (BR),U（BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十A (锗),1.2.4 二极管的伏安特性（AVR）:,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,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。,正向特性,反向特性
12、,硅0.60.8V 锗0.20.3V,死区,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,非线性区,线性区,二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：,外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。,死区,正向 导通区,反向 截止区,当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小几乎为零。 这一区域称之为死区。,外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二 极管失去单向导电性，进入反向击穿区。,反向 击穿区,反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。,继
13、续讨论1：,继续讨论2：,当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。,硅二极管的正向导通电压约为0.7V 锗二极管的正向导通电压约为0.3V。,在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。,反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是 在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而 与反向电压的高低无关(与少子的数量有限)。所以通常称它为 反向饱和电流。,实测伏安特性,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Uon = 0
14、.5 - 0.6v 锗：Uon = 0.1 - 0.2v,3.当反压增大到UBR，反向电流激增，发生反向击穿现象， UBR称为反向击穿电压。,2.加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定,PN结的反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。, 雪崩击穿：,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增, 齐纳击穿：,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。, 热击穿：,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使
15、结温升高，导致PN结过热而烧毁！,不可逆击穿,击穿是可逆的。 掺杂浓度小的二极管容易发生,击穿是可逆的。 掺杂浓度大的二极管容易发生,反向击穿,电击穿,热击穿,雪崩击穿,整流管,齐纳击穿,稳压管,可 逆,不可逆,碰撞电离,1.2.5 二极管的主要参数,（1）最大整流电流IF：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。,（2）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反向工作电压值。,（3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变
16、化而变化较大，这一点要特别加以注意。,（4）结电容： PN结电容分为两部分，势垒电容和扩散电容。（详情见下页）,（5）最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性能将变得较差。,结电容： PN结电容分为两部分，势垒电容和扩散电容。势垒电容： PN结交界处存在势垒区。结两端电压变化引起积累在此区域的电荷数量的改变，从而显现电容效应。当所加的正向电压升高时，PN结变窄，空间电荷区变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容放电。同理，当正向电压减小时，PN结变宽，空间电荷区变宽，结中空间电荷量增加，相当于电容充电。加反向电压升高时，一方面会使耗尽区变宽，
17、也相当于对电容的充电。加反向电压减少时，就是P区的空穴、N区的电子向耗尽区流，使耗尽区变窄，相当于放电。 PN结电容算法与平板电容相似，只是宽度会随电压变化。 扩散电容： PN结势垒电容主要研究的是多子，是由多子数量的变化引起电容的变化。而扩散电容研究的是少子。在PN结反向偏置时，少子数量很少，电容效应很少，也就可以不考虑了。在正向偏置时，P区中的电子，N区中的空穴，会伴着远离势垒区，数量逐渐减少。即离结近处，少子数量多，离结远处，少子的数量少，有一定的浓度梯度。 正向电压增加时，N区将有更多的电子扩散到P区，也就是P区中的少子-电子浓度、浓度梯度增加。同理，正向电压增加时，N区中的少子-空穴的浓度、浓度梯度也要增加。相反，正向电压降低时，少子浓度就要减少。从而表现了电容的特性。 针对扩散电容来说:PN结反向偏置时电阻大，扩散电容小，主要为势垒电容。正向偏置时，电容大，取决于扩散电容，电阻小。频率越高，电容效应越显著。 在集成电路中，一般利用PN结的势垒电容，即让PN结反偏，只是改变电压的大小，而不改变极性。,
