《电工电子技术 教学课件 PPT 作者 张明海 王夕英 第6章 半导体器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子技术 教学课件 PPT 作者 张明海 王夕英 第6章 半导体器件（116页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、6.1 半导体的基础知识 6.2 半导体二极管 6.3 半导体三极管 6.4 场效应管,第6章 半导体器件,6.1 半导体的基础知识,物体根据导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三大类。凡容易导电的物质（如金、银、铜、铝、铁等金属物质）称为导体；不容易导电的物质（如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等）称为绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（如硅、锗、硒等）称为半导体。半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有热敏性、光敏性、掺杂性等特殊性能。,一、本征半导体 本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。 半导体硅和锗都是4价元素，其原子结构如图6.1(a
2、),(b)所示。,图6.1半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型,本征半导体晶体结构示意图如图6.2所示。由图6.2可见，各原子间整齐而有规则地排列着，使每个原子的4个价电子不仅受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体导电能力较差。,图6.2单晶硅的共价键结构,但是，如果能从外界获得一定的能量（如光照、温升等），有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空穴的出现使
3、相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时，这个共价键又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把空穴看成一种带正电荷的载流子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，因此形成的电流就越大。,在本征半导体中，空穴与电子是成对出现的，称为电子空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的。本征半导体在温度升高时产生电子空穴对的现象称为本征激发。温度越高，产生的电子空穴对数目就越多，这就是半导体的热敏性。 在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。,二、 杂质
4、半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。 1. P型半导体 P型半导体是在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如硼、铟等）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便产生一个空穴，当相邻共价键上的电子受热激发获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键因缺少了一个电子，便形成了空穴，使得整个半导体仍呈中性，如图6.3所示。,图6.3P型半导体的共价键结构,在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电
5、子空穴对，由于杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子数目，成为多数载流子(简称多子)，而自由电子则为少数载流子(简称少子)。因而P型半导体以空穴导电为主。,2. N型半导体 N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素（如磷、砷、镓等）而形成的，杂质原子有5个价电子与周围硅原子结合成共价键时，多出1个价电子，这个多余的价电子易成为自由电子，如图4.4所示。 综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。,图6.4 N型半导体的共价键结构,三、 PN结的形成及特性 1. PN结的形成 在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它
6、们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。 PN结的形成过程如图6.5所示。,图6.5PN结的形成 （a）多子扩散示意图；（b）PN结的形成,2. PN结的单向导电性 1）PN结正向偏置导通 给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N区（即正向连接或正向偏置），如图4.6（a）所示。由于PN结是高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和，推动N区的多子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷
7、，其结果使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。,图6.6PN结的单向导电性 （a）正向连接; （b）反向连接,2）PN结反向偏置截止 将PN结按图6.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。由图可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多子（电子）从PN结附近拉走，将P区的多子（空穴）从PN结附近拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以认为PN结截止。 综上所述，PN结正向偏置时，正向电流很大；PN结反向偏置时，反向电流很小，这就是PN
8、结的单向导电性。,6.2 半导体二极管,一、 半导体二极管的结构 半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。二极管按其结构的不同可以分为点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管的结构，如图6.7（a）所示。这类管子的PN结面积和极间电容均很小，不能承受高的反向电压和大电流，因而适用于制做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，以及作为小电流的整流管。,图6.7半导体二极管的结构及符号 （a）点接触型结构;（b）面接触型结构;,图6.7半导体二极管的结构及符号 （c）集成电路中的平面型结构; （d）图形符号,面接触型二极管或称面结型二极管，其结构如图6.7（b）所示。这种二极管的PN结面积大，可承受较
9、大的电流，其极间电容大，因而适用于整流，而不宜用于高频电路中。 图6.7（c）所示是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。二极管的图形符号如图6.7（d）所示。,二、 半导体二极管的特性 1.伏安特性 根据制造材料的不同，二极管可分为硅、锗两大类。相应的伏安特性也分为两类。图6.8（a）所示为硅二极管的伏安特性;图6.8（b）所示为锗二极管的伏安特性。现以图6.8（a）所示硅二极管为例来分析二极管的伏安特性。,图6.8 二极管的伏安特性 （a）硅二极管2CP6;,图6.8 二极管的伏安特性 （b）锗二极管2AP15,1）正向特性 0A段：称为“死区”。 段：称为正向导通区。
10、2）反向特性 0段：称为反向截止区。这时二极管呈现很高的电阻，在电路中相当于一个断开的开关，呈截止状态。,段：称为反向击穿区。当反向电压增加到一定值时，反向电流急剧加大，这种现象称为反向击穿。发生击穿时所加的电压称为反向击穿电压，记做B。这时电压的微小变化会引起电流很大的变化，表现出很好的恒压特性。同样，若对反向击穿后的电流不加以限制，结也会因过热而烧坏，这种情况称为热击穿。,2. 温度特性 温度对二极管伏安特性的影响如图4.所示。 (1)当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动。这是因为温度升高时，扩散运动加强，产生同一正向电流所需的压降减小的缘故。 (2)当温度升高时，二极管的反向特性曲
11、线向下移动。这是因为温度升高，本征激发加强，半导体中少子数目增多，在同一反向电压下，漂移电流增大的缘故。 ,图6.9 温度对二极管伏安特性的影响,(3)当温度升高时，反向击穿电压减小。击穿现象是由于大的反向电流使少数载流子获得很大的动能，当它与结内的原子发生碰撞时，产生了很多的电子空穴对，使结内载流子数目急剧增加，并在反向电压作用下形成很大的反向电流。因此温度升高时，反向击穿电压减小。 综上所述，温度升高时，二极管的导通压降F降低，反向击穿电压UB减小，反向饱和电流IS增大。,三、 半导体二极管的主要参数 二极管的参数是定量描述二极管性能的质量指标，只有正确理解这些参数的意义，才能合理、正确地
12、使用二极管。 1. 最大整流电流IF 最大整流电流是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过结时要引起管子发热。电流太大，发热量超过限度，就会使结烧坏。例如最大整流电流为mA。,2. 反向击穿电压UB 反向击穿电压是指反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，使二极管的单向导电性被破坏，甚至会因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全工作。例如2AP1最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿电压可大于40V。,3. 反向饱和电流IS 在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向饱和电流。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。由于温度升
13、高，反向电流会急剧增加，因而在使用二极管时要注意环境温度的影响。 二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子的参数。在使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易损坏。,4.2.4 特殊二极管 特殊用途的二极管在电子设备中早已得到广泛的应用，这里简单介绍几种特殊用途的二极管。 1.稳压二极管 1）稳压特性 稳压二极管的伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路如图4.1所示，它的正向特性曲线与普通二极管相似，而反向击穿特性曲线很陡。在正常情况下稳压管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，因而具有稳压作用。图
14、中的UB表示反向击穿电压，当电流的增量IZ很大时，只引起很小的电压变化UZ。只要,反向电流不超过其最大稳定电流，就不会形成破坏性的热击穿。因此，在电路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻。,图6.10 稳压管的伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路 （a）伏安特性曲线;（b）图形符号;（c）稳压管电路,2）基本参数 （1）稳定电压UZ是指在规定的测试电流下，稳压管工作在击穿区时的稳定电压。由于制造工艺的原因，同一型号的稳压管的UZ分散性很大。 （2）稳定电流IZ是指稳压管在稳定电压时的工作电流，其范围在IZminIZmax之间。 （3）最小稳定电流IZmin是指稳压管进入反向击穿区时的转折点
15、电流。,（4）最大稳定电流IZmax是指稳压管长期工作时允许通过的最大反向电流，其工作电流应小于IZmax。 （5）最大耗散功率PM是指管子工作时允许承受的最大功率，其值为PM=IZmaxUZ。 （6）动态电阻rZ。它被定义为rZ=UZ/IZ。,2. 光电二极管 光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，只是在它的结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。光电二极管的结在反向偏置状态下运行，其反向电流随光照强度的增加而上升。图4.（）是光电二极管的图形符号，图（）是它的等效电路，而图（）是它的特性曲线。光电二极管的主要特点是其反向电流与光照度成正比。,图6.11 光电二极管 （）图形符
16、号;（）等效电路;（）特性曲线,3. 发光二极管 发光二极管是一种能把电能转换成光能的特殊器件。这种二极管不仅具有普通二极管的正、反向特性，而且当给管子施加正向偏压时，管子还会发出可见光和不可见光（即电致发光）。目前应用的有红、黄、绿、蓝、紫等颜色的发光二极管。此外，还有变色发光二极管，即当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变。图6.12（a）所示为发光二极管的图形符号。,发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件。发光二极管的另一个重要的用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。图4.12（b）所示为发光二极管发射电路通过光缆驱动的光电二极管电路。在发射端，一个0V的脉冲信号通过500的电阻作用于发光二极管（LED），这个驱动电路可使LED产生一数字光信号，并作用于光缆。由LED发出的光约有20%耦合到光缆。在接收端，传送的光中，约有80%耦合到光电二极管，以
