第14章半導(dǎo)體器件

半導(dǎo)體的特性1本征半導(dǎo)體2雜質(zhì)半導(dǎo)體3第14章半導(dǎo)體器件14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性能力目標(biāo)情感目標(biāo)知識目標(biāo)1.了解半導(dǎo)體的概念

2.掌握半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性3.掌握本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的區(qū)別1.培養(yǎng)學(xué)生善于觀察的能力。2.培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、歸納總結(jié)能力。1.培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作意識和創(chuàng)新意識。2.增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的信心。教學(xué)目標(biāo)本征激發(fā)與雜質(zhì)半導(dǎo)體重點(diǎn)難點(diǎn)兩種載流子重點(diǎn)/難點(diǎn)

自然界中的物質(zhì)，按其導(dǎo)電能力可分為三大類：

導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體材料：硅，鍺獨(dú)特的導(dǎo)電特性1.熱敏性：T2.光敏性：光照

3.摻雜性：摻入微量元素導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力+14

硅原子結(jié)構(gòu)

+4簡化模型完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體4價元素

4

4

4

4

4

4晶體結(jié)構(gòu)——純凈半導(dǎo)體原子排列整齊共價鍵結(jié)構(gòu)——兩個相鄰原子共有一對價電子,價電子受相鄰原子核的束縛,處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。共價鍵共價鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4受熱或光照后，某些價電子掙脫束縛成為自由電子。本征激發(fā)共價鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4本征激發(fā)顯然，自由電子帶負(fù)電，可以參與導(dǎo)電，稱為載流子共價鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4自由電子共價鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4自由電子空穴本征激發(fā)兩種載流子：

自由電子空穴

成對出現(xiàn)共價鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4電子電流——電場作用下，自由電子的定向移動。自由電子電場電子電流共價鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4實(shí)質(zhì)上是電子遞補(bǔ)空穴電流空穴電流——電場作用下，電子依次遞補(bǔ)空穴的運(yùn)動。電場共價鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4電場空穴電流電子電流兩種載流子導(dǎo)電，是半導(dǎo)體導(dǎo)電的重要特征，也是其與金屬導(dǎo)體在導(dǎo)電機(jī)理上的本質(zhì)區(qū)別。

一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合運(yùn)動達(dá)到了動態(tài)平衡，于是，載流子維持一定數(shù)目。具有了一定的導(dǎo)電能力。可是室溫下，半導(dǎo)體由于本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子很少，所以導(dǎo)電能力很弱，半導(dǎo)體沒有實(shí)際應(yīng)用價值，實(shí)際應(yīng)用的為雜質(zhì)半導(dǎo)體。課外思考題空穴帶電嗎？本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)目應(yīng)該是______？本征半導(dǎo)體帶電嗎？在本征半導(dǎo)體中，電子濃度和空穴濃度相等嗎？

1、本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少。

2、半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。

3、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。

4、半導(dǎo)體是不帶電的。

5、在本征半導(dǎo)體中，電子濃度和空穴濃度是相等的?？偨Y(jié)雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體——摻入5價元素

P型半導(dǎo)體——摻入3價元素雜質(zhì)半導(dǎo)體——在本征半導(dǎo)體中摻入適量的雜質(zhì)元素(非半導(dǎo)體元素)。5價元素——磷、砷等。3價元素——硼、鎵、銦等。N型半導(dǎo)體

4

4

4

4

4

5+5

多一個價電子摻雜N型半導(dǎo)體

4

4

4

4

4

5多子-------電子少子-------空穴+5

摻雜本征激發(fā)

4N型半導(dǎo)體示意圖電子正離子P型半導(dǎo)體

4

4

4

4

4

3多一個空穴+3

摻雜多子-------空穴少子-------電子P型半導(dǎo)體

4

4

4

4

4

3+3

P型半導(dǎo)體示意圖負(fù)離子空穴摻雜本征激發(fā)

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba課堂練習(xí)

1.在N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。在P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。

2.雜質(zhì)離子雖然帶電荷，但不能移動。

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體中雖然有一種載流子占多數(shù)，但整個半導(dǎo)體仍呈電中性。

4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要取決于多子濃度，多子濃度主要取決于摻雜濃度。少子濃度主要與本征激發(fā)有關(guān)。

5.少子主要有本征激發(fā)產(chǎn)生，因此少子對溫度敏感，其大小隨溫度的升高而增大?？偨Y(jié)1.PN結(jié)的形成

在一塊完整的本征硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，在這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的交界面附近就會形成一個具有特殊性質(zhì)的薄層（正離子或負(fù)離子的區(qū)域），這個特殊的薄層就是PN結(jié)14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)的形成

N區(qū)P區(qū)負(fù)離子空穴正離子電子正負(fù)電荷中和，不帶電空間電荷區(qū)（耗盡層）內(nèi)電場P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動——濃度差造成運(yùn)動。復(fù)合——自由電子填補(bǔ)空穴，兩者同時消失的現(xiàn)象。漂移運(yùn)動——載流子在電場力作用下的運(yùn)動。多子擴(kuò)散運(yùn)動少子漂移運(yùn)動暴露了失去電子的正離子暴露了失去空穴的負(fù)離子

第二節(jié)PN結(jié)空間電荷區(qū)（耗盡層）內(nèi)電場P區(qū)N區(qū)濃度差→多子擴(kuò)散運(yùn)動→復(fù)合→產(chǎn)生內(nèi)電場→阻礙多子擴(kuò)散→有利少子漂移運(yùn)動→擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡→形成一定寬度PN結(jié)多子擴(kuò)散運(yùn)動少子漂移運(yùn)動PN結(jié)

PNPN結(jié):

P區(qū)和N區(qū)交界面處形成的區(qū)域空間電荷區(qū):

區(qū)內(nèi)只剩離子,帶電耗盡層:

區(qū)內(nèi)載流子少名稱內(nèi)電場電位差約為零點(diǎn)幾伏寬度為幾微米~到幾十微米外加正向電壓——導(dǎo)通外加反向電壓——截止P接“+”N接“-”P接“-”N接“+”2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦詢?nèi)電場RE外電場P區(qū)N區(qū)ID外加正向電壓外電場抵削內(nèi)電場,有利于多子的擴(kuò)散很大限流,防止電流太大PN結(jié)多子中和部分離子,使空間電荷區(qū)變窄REP區(qū)N區(qū)I反外加反向電壓外電場增強(qiáng)內(nèi)電場,有利于少子的漂移很小PN結(jié)內(nèi)電場外電場少子背離PN結(jié)移動，,空間電荷區(qū)變寬理想狀態(tài)下，我們忽略反向電流，認(rèn)為PN結(jié)正向偏置導(dǎo)通，反向偏置截止——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)的擊穿特性

反向擊穿——當(dāng)加于PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定值時，PN結(jié)的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。電擊穿——若反向電壓下降到擊穿電壓以下后，其性能可恢復(fù)到原有情況，即這種擊穿是可逆的，稱為電擊穿。熱擊穿——若反向擊穿電流過大，則會導(dǎo)致PN結(jié)結(jié)溫過高而燒壞，這種擊穿是不可逆的，稱為熱擊穿。討論題

反向擊穿后，PN結(jié)就損壞了嗎？陽極陰極+-符號3.分類：按材料硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型1.構(gòu)成：2.符號：PN二極管的實(shí)質(zhì)是PN結(jié)，所以它一定具有單向?qū)щ娦?4.3

半導(dǎo)體二極管14.3.1基本結(jié)構(gòu)點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型pNP型支持襯底14.3.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。14.3.3主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管電路分析舉例

定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例1：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例2：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–兩個二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例3:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–14.4

穩(wěn)壓二極管1.符號

UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3)動態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加符號發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管14.5

半導(dǎo)體三極管14.5.1基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大以NPN型三極管為例討論圖三極管中的兩個PN結(jié)cNNPebbec表面看三極管若實(shí)現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用14.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏

PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實(shí)質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化.3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE014.5.3特性曲線即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計性能良好的電路重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路測量晶體管特性的實(shí)驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。14.5.4主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時，表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。例：在UCE=6V時，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點(diǎn)IB=60A,IC=2.3mA。在以