電路與電子技術基礎-第3版課件第6章半導體器件的基本特性

第六章半導體器件的基本特性第一節(jié)半導體基礎知識

6.1.1本征半導體

6.1.2雜質(zhì)半導體第二節(jié)PN結及半導體二極管

6.2.1異型半導體的接觸現(xiàn)象

6.2.2PN結的單向?qū)щ娞匦?/p>

6.2.3半導體二極管

6.2.4半導體二極管的應用第三節(jié)半導體晶體管

6.3.1晶體管的結構及類型

6.3.2晶體管的放大作用

6.3.3晶體管的特性曲線

6.3.4晶體管的主要參數(shù)第一節(jié)半導體基礎知識按導電的性能可以將物質(zhì)分為導體、絕緣體和半導體。物質(zhì)的導電性能取決于物質(zhì)的原子結構。我們所關心的不是半導體的導電性，而是它的原子結構。1.本征半導體(intrinsicsemiconductor)完全純凈的、結構完整的半導體稱為本征半導體。常用的半導體材料是硅(Si—Silicon)和鍺(Ge—Germaniun)。-4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴載流子形成與復合：價電子獲得能量后擺脫原子核的束縛成為自由電子、空穴對，當自由電子填補空穴后就是復合。本征半導體載流子的濃度，除與半導體材料本身性質(zhì)有關外，還與溫度有關，且ni=pi

。2.雜質(zhì)半導體(impuritysemiconductor)本征半導體中的載流子濃度很低，導電性能也很弱，摻入少量雜質(zhì)，其導電性能將發(fā)生質(zhì)的變化。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子施主原子(1)N型半導體(N-typesemiconductor)在半導體中摻入5價元素，多出的電子不受共價鍵的約束，僅受到自身原子核的約束，所以只要得到較少的能量就可以成為自由電子。同時，還會有些價電子擺脫共價鍵約束，形成電子空穴對。顯然，在這種雜質(zhì)的半導體中自由電子的濃度遠遠大于空穴濃度。即nn>>pn

故導電主要靠自由電子。自由電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。多數(shù)載流子的濃度取決于摻雜的濃度，少數(shù)載流子是半導體材料共價鍵提供的，主要取決于溫度?？梢宰C明電子與空穴的濃度有如下關系：根據(jù)原子理論中的“不相容”原理--同一能級中，最多只能容納兩個自旋方向相反的電子和賈米·狄拉克分布函數(shù)可以證明以上等式。(2)P型半導體(P-typesemiconductor)在半導體中摻入3價元素，當它與周圍的鍺原子組成共價鍵時，在缺少電子的地方形成一個空穴。其它共價鍵的電子只需較小的能量就可以擺脫原子核束縛移到此空穴，從而形成新的空穴。顯然在這種摻雜半導體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，所以多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子。pp>>np

+4+4+4+4+3+4+4+4+4受主原子空穴第二節(jié)PN結及半導體二極管在一塊本征半導體上，用工藝的辦法使一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，則在兩種半導體的交界處形成一個P-N結。P-N結是一切半導體器件的基礎。1.異型半導體的接觸現(xiàn)象擴散—濃度差異導致的載流子移動P區(qū)N區(qū)自建場

耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)2.PN結的單向?qū)щ娞匦云啤陔妶鲎饔孟螺d流子的定向移動

UR+-

自建場I

外電場P區(qū)N區(qū)

UR-+

自建場

I

外電場P區(qū)N區(qū)3.半導體二極管

(1)半導體二極管的結構

金屬觸絲N型鍺片陽極引線陰極引線外殼(a)點接觸型

陽極引線二氧化硅保護層

P型硅陰極引線

(b)平面型N型硅鋁合金小球陽極引線

PN結

N型硅金銻合金底座陰極引線

(c)面接觸型

陽極陰極

(d)符號(2)半導體二極管的伏安特性

I(mA)2010-40-2000.40.8U(V)-10-20(nA)(a)硅二極管的伏安特性曲線

I(mA)2010-60-3000.20.4U(V)-10-20(μA)(b)鍺二極管的伏安特性曲線正向特性：門限電壓Uon，硅0.6~0.8V；鍺0.1~0.3V反向特性：反向飽和電流，一般很小。硅nA級，鍺μA級擊穿特性：反向電壓達到某一值后，二極管的電流急劇增加，根據(jù)擊穿的內(nèi)部機制分為雪崩擊穿和齊納擊穿。雪崩擊穿：低濃度摻雜，在強電場作用，獲得能量的自由電子與原子發(fā)生碰撞將價電子“打”出共價鍵，形成更多的載流子；齊納擊穿：高濃度摻雜，阻擋層很窄，無足夠加速空間，但很窄空間形成的強電場可以將價電子直接“拉”出來，使電流急劇增加。(3)半導體二極管的主要參數(shù)①最大整流電流IF。二極管允許通過的最大正向平均電流。如果電流長時間電流超過此值，二極管會因過熱而燒壞。此值取決于結面積、材料和散熱情況。②最大反向工作電壓UR。二極管允許的最大反向工作電壓。當反向電壓超過此值就可能被擊穿。③反向電流IR。二極管未擊穿時的反向電流值。此值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。④最高工作頻率fM。此值的大小主要取決于結電容的大小。結電容越大，允許工作頻率越低。⑤二極管的直流電阻RD。二極管兩端電壓與流過二極管中電流之比。⑥二極管的交流電阻rd。二極管兩端電壓變化量與流過二極管中電流變化量之比。

I(mA)

rd8060ΔI40Q

ΔU200U12(V)

I(mA)

RD80Q

6040200U1UF2(V)IF(4)特殊二極管①穩(wěn)壓二極管工作原理：穩(wěn)壓二極管工作在PN結的擊穿區(qū)。在擊穿區(qū)電壓的微小變化會引起電流較大范圍的變化，利用這一特性可以起到穩(wěn)定輸出電壓的目的。注意事項：1.穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，因此電源正極接N、負極接P；2.穩(wěn)壓管與負載并聯(lián)；3.在穩(wěn)壓電路中必須有限流措施。穩(wěn)壓原理：

IR+R

ILUi

DZ

RL

IZ_I+

0

U-

ΔUΔIUO主要參數(shù)：1.穩(wěn)定電壓UZ：工作在擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。是穩(wěn)壓管的關鍵參數(shù)。2.穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管正常工作時要求的最小電流。穩(wěn)壓管工作電流通常大于此電流值。3.動態(tài)電阻rz：穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時兩端電壓變化量與電流變化量之比，此值越小，說明穩(wěn)壓性能越好。4.額定功率Pz：是保證穩(wěn)壓管正常工作的關鍵參數(shù)。5.穩(wěn)壓溫度系數(shù)αz：描述穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓隨溫度而改變情況，一般UZ>7V具有正溫度系數(shù)，在4~7V之間溫度系數(shù)為負。②變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管主要是利用PN結內(nèi)耗盡層的空間電荷引起的。由于在耗盡層內(nèi)N區(qū)積聚了正電荷，P區(qū)積聚了負電荷，形成了與平板電容器結構相似的形式。當外加電壓變化時，空間電荷的增加和減少相當于平板電容的沖放電。因此顯示了電容效應。變?nèi)荻O管就是利用這一特點而制造的。

自建場平衡時阻擋層形成

耗盡區(qū)P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)③光電二極管利用某些對光敏感的半導體制成的二極管。光的強弱會引起反向電流的變化，換句話說，反向電流的大小，表明了外界光的強弱。

I(μA)-10–8–6–4–2無光照0U(V)照度-50增大akak

I受光面④發(fā)光二極管發(fā)光二極管是利用某些材料有電流流過時會發(fā)出不同波長的光而制成的。發(fā)光二極管經(jīng)常用來作為指示、裝飾等顯示作用，在產(chǎn)品設計中經(jīng)常使用到。4.半導體二極管的應用二極管的應用范圍很廣，利用二極管的單相導電特性，可組成整流、檢波、鉗位、限幅、開關等電路。利用二極管的其他特性，可使其應用在穩(wěn)壓、變?nèi)?、溫度補償?shù)确矫妗?/p>

(1)整流電路

u20T/2T3T/22Tt

TD+io++~220Vu2

RL

uo---半波整流uo,io

0T/2T3T/22Tt

Ta++D4

D1~220V

u2

cb-io-D3

D2+

d

uo-橋式整流uo,io0T/2T3T/22Tt(2)二極管限幅電路二極管限幅電路主要作用是限制輸出電壓幅度，以適應不同要求，特別是經(jīng)常用于保護電路中的器件。

+R+

D1

D2ui

uo5V5V--

ui5V0t-5V

uo5V0t-5V第三節(jié)半導體三極管三極管是組成各種電子電路的核心器件。外形如圖。1.三極管的結構及類型用工藝的辦法將兩個PN結背靠背地連接起來組成三極管。如果將兩個二極管背靠背地連接起來會怎樣呢？

c

b

幾微米幾百微米

eNNP

集電極c集電結c

c

集電區(qū)

b

b基極b

基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射結e

e

發(fā)射極e

N

NPNPN型PNP型

3AX813AX13DG13AD102.三極管的放大作用為了分析理解方便，我們均以NPN管為例，PNP管的工作原理與之完全相同。內(nèi)部結構：

①發(fā)射區(qū)重摻雜。作用是向基區(qū)注入載流子。②基區(qū)低摻雜且很薄。作用是傳輸控制載流子。③集電區(qū)面積很大。作用是收集載流子。外部條件：外部電源應保證發(fā)射結處于正向偏置，集電結反向偏置。(1)載流子傳輸過程①發(fā)射。由于發(fā)射結正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子--電子注入到基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE。當然也有基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴散，只是這部分電流很小，一般忽略不計。②擴散與復合。從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子，在發(fā)射結附近濃度很高，由于集電結反向偏置，在集電結處的電子幾乎為0，濃度差將使注入到基區(qū)的電子向集電結擴散。在擴散的過程中，有一部分電子將與基區(qū)的空穴復合，形成基極電流IBN。由于基區(qū)摻雜濃度低且很薄，所以復合電子數(shù)很少，大部分電子擴散到集電結處。③收集。由于集電結反向偏置，擴散到集電結處的電子將在反向偏置的作用下很快漂移到集電區(qū)，被集電區(qū)收集，形成電流ICN。此外，由于集電結反向偏置，集電區(qū)與基區(qū)的少數(shù)載流子會形成反向飽和電流ICBO

Ic

c

ICNRc

ICBO

N

b

UCCP

IB

IBN

RB

IE

N

UBB

IEe(2)電流分配三極管實質(zhì)上是一個電流分配器，它把發(fā)射極注入的電子按一定比例分配給集電極和基極。晶體管制成以后，這種比例就確定了。用一組參數(shù)來描述這種分配規(guī)律。共基極直流電流放大系數(shù)：發(fā)射極直流放大系數(shù)：

Ic

c

ICNRc

ICBO

N

b

UCCP

IB

IBN

RB

IE

N

UBB

IEe若三極管基極開路，則IB=0，故有：ICEO為基極開路三極管的集電極電流，常稱為穿透電流。交流放大系數(shù)是指電流變化量之比。3.三極管的三種連接方式三極管共有三個極，輸入、輸出各一個極，第三個極是輸入、輸出回路的公共端，根據(jù)公共端的不同，三極管的可以分為共基極、發(fā)射極和集電極三種連接方式。

IeIcce

bIcbIeecIbIbIbbIeeIcc(a)共基極(b)共發(fā)射極(c)共集電極4.三極管的特性曲線三極管外部極間電壓與電流的相互關系稱為三極管的特性曲線。特性曲線比較直觀地反映了各極電壓與電流之間的關系。(1)輸入特性即在UCE不變時，輸入回路的IB與電壓UBE之間的關系曲線。

iC

iBRC

RBiEUCCUBBib/μA

00.20.40.60.8UBE

輸入特性UCE=0VUCE≥1V80604020ic(mA)

放大區(qū)飽和區(qū)

IB=60μA

IB=50μA

IB=40μAIB