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1、第五章 半 导 体 器 件,5.1 半导体材料及PN结 5.2 半导体二极管及其应用 5.3 半导体三极管 5.4 场效应管,5.1 半导体材料及PN结 5.1.1半导体材料及导电特性 物质按其导电能力可以分为三类：一类是导电能力较强的物质叫导休，其电阻率10-4.m，如橡皮、塑料、陶瓷等；此外，还有一些物质，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，我们称它们为半导体，如锗、硅、硒、砷化镓及一些金属的氧化物或硫化物。 半导体的导电性能由其以下独特的性质决定： (1)热敏性：半导体的导电能力随温度升高而迅速增强； (2)掺杂性：半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化； (3)光敏性：半导体的
2、导电能力随光照而发生显著变化；,图 5 1 硅和锗简化原子 结构模型,图 5 2 本征半导体共价键晶体结构示意图,5.1.2本征半导体 不含杂质且具有完美晶体结构的半导体称为本征半导体。最常用的本征半导体有锗和硅晶体，它们都是四价元素，即在其原子结构模型的最外层轨道上含有四个价电子。,共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 5-3所示。,图 5 3 本征半导体中的自由电子和空穴,由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时
3、成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。 半导体的导电能力的大小决定于载流子数目的多少，而载流子的数目有与温度、光照程度和参入杂质浓度有关，因此半导体的导电能力受温度、光照和参入杂质等的影响。,5.1.3 杂质半导体 1. 型半导体 在本征半导体中, 掺入微量价元素, 如磷、锑、砷等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有个价电子, 因此它与周围个硅(锗)原子组成共价键时, 还多余 1 个价电子。 它不受共价键的束缚, 而只受自身原子核的束缚, 因此, 它只要得到较少的能量就能成为自由电子, 并留下带正电的杂质离子, 它不能参与导电, 如图5-4所示。显然,
4、这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度,主要靠电子导电, 所以称为型半导体。由于价杂质原子可提供自由电子, 故称为施主杂质。型半导体中, 自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。,图5-4 N型半导体原子结构示意图,杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的, 因而其浓度主要取决于温度。,在本征半导体中, 掺入微量价元素, 如硼、镓、铟等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。,图5-5 P型半导体原子结构示意图,2. P型半导体,5.1.4 PN结及其单向导电性,在一块本征半导体上，通过一定的掺杂工艺，使一边形成型半导体，另一
5、半形成型半导体，在它们的交界处将形成一个特殊功能的薄层，称为PN结。在型半导体和型半导体交界处，由于型半导体中空穴多于自由电子，型半导体中自由电子多于空穴，这样在交界面附近将产生多数载流子的扩散运动。 如图5-5所示，区的空穴向区扩散，与区的自由电子复合，区的自由电子向区扩散，与区的空穴复合。随着扩散运动的进行，在区一侧留下不能移动的负离子，在区一侧留下不能移动的正离子，这个区域称为空间电荷区。,1) PN结的形成,(a)多数载流子的扩散运动 (b)平衡时阻挡层的形成 图5-5 PN结的形成,1.2.2 结的单向导电特性,PN结外加正向电压（简称正偏），外电场与内电场方向相反，内电场被削弱，空
6、间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动，因而形成较大的扩散正向电流。而漂移电流是由少数载流子的漂移运动形成的，少数载流子数量很少，故对总电流的影响可忽略，所以外接正向电压时，PN结处于导通状态并呈低电阻状态。 ,1. PN结外加正向电压,图 1 - 7 PN结单向导电特性,2. 结外加反向电压 PN结外加反向电压（简称反偏）如图5-6(b)所示，这时，外电场与内电场方向一致，内电场增强，多数载流子扩散难以进行，只有少数载流子在电场作用下形成漂移电流，漂移电流与扩散电流方向相反，又称反向电流。少数载流子数量少，所以形成很小的反向电流ID。反向电流受温度影响较大，当温度一定时反向电流基本上不受外
7、加电压的影响。 PN结具有单向导电性。PN结加正向电压时，电路中有较大电流流过，PN结导通；PN结加反向电压时，电路中电流很小，PN结截止。,5.2 半导体二极管及其应用 ,5.2.1二极管的结构,半导体二极管是由PN结两端接上电极引线并用管壳封装构成的。 半导体二极管按结构不同可分为点接触型二极管和面接触型二极管；按材料不同又可分为硅和锗二极管。,（a）点接触型结构（b）面接触型结构（c）集成电路中的平面型结构（d）图形符号 图5-7 半导体二极管的结构和符号,1) 根据不同的制造工艺，二极管的内部结构大致分为点接触型、面接触型和平面型三种以适应不同用途的需要，结构图如图5-8(a)、(b)
8、、(c)所示。,2) 依据制作材料分类，二极管主要有锗二极管及硅二极管。,3) 依据用途分类，常用的有四类： 普通二极管：用于设备型号检测、取样、小电流整流等。 整流二极管：广泛使用在各种电源设备中做不同功率的整流。 开关二极管：用于数字电路和控制电路中。 稳压二极管：用在各种稳压电源和晶闸管电路中。,5.2.2二极管的类型,1. 二极管的特性,图 1 13 二极管的伏安特性曲线,(1) 正向特性：正向电压低于某一数值时, 正向电流很小, 只有当正向电压高于某一值后, 才有明显的正向电流。该电压称为导通电压, 又称为门限电压或死区电压, 用表示。在室温下, 硅管的约为. V, 锗管的约为. V
9、。通常认为, 当正向电压on时, 二极管截止；时, 二极管导通。 (2) 反向特性：二极管加反向电压, 反向电流数值很小, 且基本不变, 称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安()数量级, 锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时, 反向电流急剧增加, 产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。,2.二极管的主要参数 (1) 最大整流电流。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于, 如超过, 二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热情况。 (2) 最大反向工作电压。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时, 二极管可能
10、被击穿。为了留有余地, 通常取击穿电压的一半作为。 ,(3) 反向电流RM。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小, 二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成, 所以值受温度的影响很大。 (4) 最高工作频率M。的值主要取决于结结电容的大小, 结电容越大, 则二极管允许的最高工作频率越低。,二极管的运用基础, 就是二极管的单向导电特性, 因此, 在应用电路中, 关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般用电压源.V(硅管, 如是锗管用.V)代替, 或近似用短路线代替。截止时, 一般将二极管断开, 即认为二极管反向电阻为无穷大。 二极管的整流电路放在第十章直流电源中讨论。,1.
11、2.7 二极管的应用,限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。 通常，将输出电压uo开始不变的电压阈值称为限幅电平。当输入电压高于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为上限幅。当输入电压低于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为下限幅。 上限幅电路如图5-10(a)所示。当ui E+VD(on)=2.7V时，二极管V导通，uo =2.7V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui 2.7V时，二极管V截止，二极管支路开路，uo = ui。图5-10(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。,1. 限幅电路,(a)电路； (b)输入
12、、输出波形关系 图5-10 二极管上限幅电路及波形,若将电路中的二极管和电源UCC反接，可构成下限幅电路，如图5-11所示。,图5-11,把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图5-9(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，uo =0。其输入、输出波形见图5-9(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。,(a)电路； (b)输入、输出波形关系 图5-9 二极管半波整流电路及波形,2、二极管整流电路,2二极管门电路,图 1 - 23 二极管“与”门
13、电路,5.2.6特殊二级管 1. 发光二极管,图 1 - 24 发光二极管符号,2. 光电二极管,图 1 - 25 光电二极管符号,3、硅稳压二极管,硅稳压二极管是半导体二极管中的一种，其正常工作在反向击穿区。在电路中它与适当的电阻配合，具有稳定电压的作用，故又称为稳压管。 稳压管的伏安特性曲线、符号及稳压电路如图5-13所示。,（a）伏安特性曲线;（b）图形符号;（c）稳压管电路 图5-13 稳压管伏安特性、符号及稳压电路,1.3 半导体三极管,图 1 - 28 几种半导体三极管的外形,1.3.1 三极管的结构,图 1 29 三极管的结构示意图和符号,无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们
14、均包含三个区: 发射区、基区和集电区, 并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处, 形成两个PN结, 分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗, 因此共有四种三极管类型。,1.3.3 三极管的放大作用,1. 载流子的传输过程 发射。 (2) 扩散和复合。 (3) 收集。,图 1 31 三极管中载流子的传输过程,2. 电流分配,图 1 - 32 三极管电流分配,集电极电流由两部分组成：和, 前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的, 后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。 于是有 (1 - 6),发射极电流也
15、由两部分组成：和。为发射区发射的电子所形成的电流, 是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂, 所以忽略不计, 即。又分成两部分, 主要部分是, 极少部分是。是电子在基区与空穴复合时所形成的电流, 基区空穴是由电源提供的,故它是基极电流的一部分。 ,基极电流是与之差：,(1-7),(1-8),称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时, 又可写成,三极管的三个极的电流满足节点电流定律, 即,则,其中ICEO称为穿透电流, 即,表1 - 3 三极管电流关系的一组典型数据,1.3.4 三极管的特性曲线,图 1 33 三极管共发射极特性曲线测试电路,1.输入特性,当不变时, 输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性, 即,图 1 - 34 三极管的输入特性,当不变时, 输出回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输出特性, 即,图 1 - 35 三极管的输出特性,2.输出特性,(1) 截止区。 一般将的区域称为截止区, 在图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零, 因而此时三极管没有放大作用。 其实时, 并不等于零, 而是等于穿透电流ICEO。 一般硅三极管的穿透电流小于A, 在特性曲线上无法表示
