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1、主编 李中发 制作 李中发 2005年1月,电子技术,第1章 半导体器件,学习要点,了解半导体的特性和导电方式，理解PN结的单向导电特性 了解半导体二极管、三极管的结构 理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数 理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数 了解MOS场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极型三极管的性能比较,1.1 PN结 1.2 半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 双极型三极管 1.5 场效应晶体管,第1章 半导体器件,1.1 PN结,半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本
2、的元件。,1.1.1 半导体的导电特征,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。,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。,本征半导体及杂质半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 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。,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。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。,每个原子周围有四个相邻的原子，原
3、子之间通过共价键紧密结合在一起。共价键中的价电子为两个相邻原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,1激发产生自由电子和空穴,这种结构的立体和平面示意图见下图：,室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。,在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。,1激发产生自由电子和空穴,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。,（与自由电
4、子的运动不同）,有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,2空穴的运动,演示一,演示二,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡:,3.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强,在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素
5、的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。,（1） N型半导体,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,（2） P型半导体,在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。,自由电子,多数载流子（
6、简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。,1PN结的形成,1.1.2 PN结及其单向导电性,多子扩散,形成空间电荷
7、区产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,演示三,外加正向电压（也叫正向偏置） 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。,2PN结的单向导电性,演示四,外加反向电压（也叫反向偏置） 外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。,演示五,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。 半导体二极管按其
8、结构不同可分为点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。 面接触型二极管PN结面积大，结电容也大，多用在低频整流电路中。,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线,式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,半导体二极管的伏安特性曲线如下页图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论
9、推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示:,（1）正向特性,外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 。,正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。,外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。,（2）反向特性,（1）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 （2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。 （3）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR 的一半）。 （4）最大
10、反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。 （5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。,1.2.3 半导体二极管的主要参数,理想二极管： 正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计； 反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。,稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压管,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，稳压二极管伏安特性曲
11、线的反向区、符号和典型应用电路如下图所示。,从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压VZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,(3) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin ,稳压
12、管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应于VZmin。若IZIzmin，则不能起稳压作用。,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中： 当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数。 当VZ 4 V时，VZ具有负温度系数。 稳压管的反向击穿是齐纳击穿。 当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,(5)稳定电压温度系数VZ,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而
13、起到稳压作用。,1. UI 不变，RL 减小,RL,IL,UR,UO,IZ,IR=IL+IZ,基本不变,2. RL 不变， UI 升高,UI,UO,IZ,UR,UO=UI - UR,基本不变,UO,UO,1.3.2 发光二极管,当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。即有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压比一般二极管高，电流为几 几十mA。,发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低(1.53V)、体积小、寿命长、可靠性较高，室温下连续工作
14、时间长、光功率电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。因此在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。,然而，LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此，在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中，就不得不以提高成本为代价，选用其它更高性能的光源。,光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。其核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光的照射，PN
15、结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。,1.3.3 光电二极管,光电二极管伏安特性曲线,光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子-空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。,光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时
16、，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。,光生载流子在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。,1.4 双极型三极管,1.4.1 三极管的结构及类型,半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。 （CCCS） 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。,双极型半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN
