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1、第一章 半导体器件,1.1 半导体的特性,1.2 半导体二极管,1.3 双极型三极管(BJT),1.4 场效应三极管,1.1 半导体的特性,1. 导体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。,3. 半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,硅原子结构,图 1.1.1 硅原子结构,(a)硅的原子结构图,最外层电子称价电子,锗原子也是 4 价元素,4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。,(b)简化模型,1.1.1 本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半
2、导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.2 单晶体中的共价键结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,图 1.1.3 本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 n
3、i = pi 。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自
4、身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 1.1.5 P 型半导体的晶体结构,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远
5、高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 1.1.6 杂质半导体的的简化表示法,1.2 半导体二极管,1.2.1 PN 结及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,图 1.2.1 PN 结的形成,一、 PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,图 1.2.1,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒； 内电场；
6、内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,图 1.2.1(b),5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V,锗材料约为(0.2 0.3) V。,二、 PN 结的单向导电性,1. PN 外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.2.2,在 PN 结加上一个
7、很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2. PN 结外加反向电压(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图 1.2.3 反相偏置的 PN 结,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,综上所述：当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结
8、处于截止状态。可见， PN 结具有单向导电性。,1.2.2 二极管的伏安特性,将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。,二极管的结构：,(a)外形图,半导体二极管又称晶体二极管。,(b)符号,图 1.2.4 二极管的外形和符号,半导体二极管的类型：,按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。,按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。,按半导体材料分：有
9、硅二极管、锗二极管等。,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,图 1.2.4 二极管的伏安特性,1. 正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2. 反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，
10、反向电流会突然增大；,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,3. 伏安特性表达式(二极管方程),IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下，UT 26 mV,二极管加反向电压，即 U UT ，则 I - IS。,二极管加正向电压，即 U 0，且 U UT ，则，可得 ，说明电流 I 与电压 U 基本上成指数关系。,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化
11、不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,1.2.3 二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压 UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一半定义为 UR 。,3. 反向电流 IR,通常希望 IR 值愈小愈好。,4. 最高工作频率 fM,fM 值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,*1.2.4 二极管的电容效应,当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散
12、电容,1. 势垒电容,是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,（b) PN 结加反向电压,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示：,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 U 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。, ：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。,2. 扩散电容 Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。,x = 0 处为 P 与 N 区的
13、交界处,当电压加大，np (或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,正向电压时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。,图 1.2.9,综上所述：,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。,Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。,1.2.5 稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管
14、。,稳压管工作于反向击穿区。,(b)稳压管符号,(a)稳压管伏安特性,图 1.2.10 稳压管的伏安特性和符号,稳压管的参数主要有以下几项：,1. 稳定电压 UZ,3. 动态电阻 rZ,2. 稳定电流 IZ,稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,正常工作的参考电流。I IZ ，只要不超过额定功耗即可。,rZ 愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大， rZ 值愈小。,IZ = 5 mA rZ 16 IZ = 20 mA rZ 3 ,IZ/mA,4. 电压温度系数 U,稳压管的参数主要有以下几项：,稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 引起稳定电压变化的百分比。,(1) UZ 7 V, U
15、0；UZ 4 V，U 0；(2) UZ 在 4 7 V 之间，U 值比较小，性能比较稳定。2CW17：UZ = 9 10.5 V，U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V，U = -(0.05 0.03)%/,(3) 2DW7 系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。,2DW7 系列稳压管结构,(a)2DW7 稳压管外形图,(b)内部结构示意图,管子内部包括两个温度系数相反的二极管对接在一起。,温度变化时，一个二极管被反向偏置，温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置，温度系数为负值，二者互相补偿，使 1、2 两端之间的电压随温度的变化很小。例： 2DW7C，U = 0.005 %/,图 1.2.12 2DW7 稳压管,5. 额定功耗 PZ,额定功率决定于稳压管允许的温升。,PZ = UZIZ,PZ 会转化为热能，使稳压管发热。,电工手册中给出 IZM，IZM = PZ/UZ,例 求通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否合适？,IZ IZM ，电阻值合适。,解,使用稳压管需要注意的几个问题：,图 1.2.13 稳压管电路,1. 外加电源的正极接管子的 N 区，电源的负极接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；,2. 稳压管应与负载电阻 RL 并联；,3. 必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,
