补充讲座半导体器件及与非门（精品ｐｐｔ）

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1、概述,半导体基本知识 PN结及其特性 半导体二极管特性及其应用 稳压二极管 半导体三极管,半导体基础知识,概念 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。 如：橡胶等,半导体,半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。,1. 本征半

2、导体,1. 本征半导体化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是硅和锗。,硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。,外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的 。,1.2本征半导体的共价键结构,本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为

3、束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。 因此，在绝对温度T=0K（-273 C）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。,1.3 电子与空穴,当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,1.4电子与空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，呈现正电性的这个空位为空穴,1.5电子与空穴的复合,可见因热激发

4、而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子-空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中，称为复合。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,2. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。 掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,(1) N型半导体 (2) P型半导体,2.1 N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,2.1 N型半导体

5、,在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供； 另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。,2.2N型半导体结构,提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带 单位正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,N型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子多数载流子 空穴少数载流子,2.3 P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。空穴是其主要载流子。,2.4 P型半导体结构,在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子

6、而成为一个带单位负电荷的负离子，三价杂质 因而也称为受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。,P型半导体中：空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。,2.5. 杂质对半导体导电性的影响,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,本节中的有关概念,本征半导体、杂质半导体,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,3.1.2 PN结及其单向特性,PN结的形成,PN结的单向导电性,PN结的电容效应,1. PN结的形成,在一块本征半导体在两侧通过

7、扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）。由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场,PN结的形成,当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，产生的电流大小相等，方向相反。,PN结的形成,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在

8、空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。,PN结的形成过程中 的两种运动： 多数载流子扩散 少数载流子飘移,2. PN结的单向导电性,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,(1) PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区，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。扩散电流远大于漂

9、移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,内电场方向,低电阻 大的正向扩散电流,(2) PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。,PN结的伏安特性,在一定的温度条件下， 由本征激发决定的少子浓 度是一定的，故少子形成 的漂移电流是恒定的，基 本上与所加反向电压的大 小无关，这个电流也称为 反向饱和电流。,高电阻 很小的反向漂移电流,PN结的伏安特性,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩

10、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。,结论：PN结具有单向导电性。,4. PN结的击穿特性,当加在PN结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大，PN结产生电击穿这就是PN结的击穿特性。 发生击穿时的反偏电压称为PN结的反向击穿电压VBR。,PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。 PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。,3.2.1 半导体二极管,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接

11、触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,点接触型二极管的结构示意图,二极管的结构,平面型,(3) 平面型二极管,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。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,面接触型,3.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线,半导体二极管的伏安特性曲线,硅二极管的死区电压VT=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压VT=0.1 V左右。,当0VVT时，正向电流为零， VT称为死区电压或开启电压。,当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当V VT时，开始出现正向 电流，并按指数规律

12、增长。,(1) 正向特性,当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,(2) 反向特性,反向特性,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,从击穿的机理上看若|VBR|6V时,主要是雪崩击穿； 若|VBR|6V时, 则主要是齐纳击穿。,3.2.3 半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如

13、下：,二极管符号：,D代表P型Si,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,理想模型,3.2.4 二极管基本应用,vo,vi,3.2.4二极管基本应用,|vi |0.7V时，D1、D2截止，所以vo=vi,| vi |0.7V时， D1、D2中有一个导通，所以vo =0.7V,vo,vi,3.2.4二极管基本应用,2. 利用单向导电性构成整流和开关电路,不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。,vi,vo,电路及输入电压Ui的波形如图所示。画出输出电压Uo的波形。(不考虑二极管的导通压降),二极管基本应用,Va、Vb有一个是低电平（0V）：VO为低电平,Va、Vb为

14、高电平（5V）：VO为高电平,所以 F=AB,开关电路：,3.2.5 稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。,符号,应用电路,伏安特性,3 稳压管应用,稳压管正常工作的两个条件： 必须工作在反向击穿状态； 流过管子的电流必须介于稳定电流和最大稳定电流之间。,当输入电压vi和负载电阻RL在一定范围内变化时，流过稳压管的电流发生变化，而稳压管两端的电压Vz变化很小。 即输出电压vo基本稳定。,3 稳压管应用,问题：不加R可以吗？ 稳压条件是什么？,当输入电压不变时，起限流作用；,电阻R的作用,当输入电压变化时，起稳压作用。

15、,稳压管应用,如果输入电压Vi （ Vi VZ）确定，稳压管处于稳压状态。,负载电阻RL太大，IL减小，IZ增大，只要IZ IZmin，稳压管仍能正常工作。,图示的电路中，分别求RL等于30k、4k和3k时，流过稳压管的电流IZ的值。,只要当VD工作在击穿区时，负载虽然有变化，VD的工作点从C点移到a点，IZ变化很大，但UZ却变化很小，Uo=UZ近似不变。, 当RL=3k时：,这时，VD工作在击穿的临界状态，如图所示。 由此可求出，临界击穿时,稳压管的稳压条件： VD工作电压高于击穿电压； 有一定的工作电流。,在图所示的电路中，当负载RL开路(RL=)时，求UI从40V变化到60V时，流过稳压

16、管的电流IZ的值。,只要VD工作在击穿区，当输入信号Ui发生变化，使VD的工作点从b点移到d点时，虽然IZ变化很大，但UZ变化很小，Uo=UZ近似不变。,3.3 半导体三极管,半导体三极管又称双极型晶体管，简称BJT。 BJT的种类很多: 按频率分，有高频管、低频管； 按功率分，有大、中、小功率管； 按半导体材料分，有Si管、Ge管； 按结构分，有NPN型和PNP型等。目前生产的Si管多数为NPN型，Ge管多数为PNP型。,三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,3.3 半导体三极管,3.3 半导体三极管,双极型半导体三极管的结构示意图。 它有两种类型:NPN型和PNP