電工電子課件第4部分半導(dǎo)體

半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件是電子電路中的核心器件

半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、硒，大多數(shù)金屬氧化物和硫化物等。半導(dǎo)體在常態(tài)下的導(dǎo)電能力非常弱，但在受熱、光照、摻雜等條件下，導(dǎo)電能力會有很大增強。純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，通常具有晶體結(jié)構(gòu)晶體的共價鍵結(jié)構(gòu)如圖為硅或鍺的二維晶體結(jié)構(gòu)，每個原子最外層的四個價電子分別和相鄰的四個原子的價電子形成共價鍵結(jié)構(gòu)在室溫（300K）下，少數(shù)被束縛的價電子受熱激發(fā)獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，同時在原位留下一個空位，稱為空穴。自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。自由電子帶負電荷，失去電子的原子成為正離子，好像空穴帶正電荷一樣。電子-空穴對的形成在外電場作用下，半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。電子和空穴的移動在本征半導(dǎo)體中，一方面產(chǎn)生電子-空穴對，另一方面當一個自由電子和一個空穴相遇復(fù)合時形成一個新的共價鍵。當溫度一定時，電子和空穴的產(chǎn)生和復(fù)合達到一種動態(tài)平衡，電子-空穴對維持一定的濃度。溫度升高時，電子-空穴對濃度增大，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨溫度升高明顯增強。電子和空穴的移動在外加電壓的作用下，本征半導(dǎo)體中帶負電的自由電子參與導(dǎo)電。同時隨著空穴的出現(xiàn)，臨近共價鍵中的價電子便可以來填補空穴，從而在該價電子所在的位置又產(chǎn)生新空穴，就像空穴在向電子移動的相反方向移動。因而可用空穴移動產(chǎn)生的電流來代表束縛電子移動所產(chǎn)生的電流。雜質(zhì)半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體常溫下的載流子濃度很低，導(dǎo)電性能很差。其中摻入微量的雜質(zhì)，會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著改變。雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為P（空穴）型和N（電子型）型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：在硅（或鍺）晶體中摻入微量的三價元素，如硼，銦等由于硼等三價元素原子外層只有三個價電子，它與相鄰的四個硅原子組成共價鍵時，因缺少一個價電子而形成一個空位，附近共價鍵中的價電子會很容易填補這個空位，而在原來價電子處形成一個空穴。P型半導(dǎo)體：在硅（或鍺）晶體中摻入微量的三價元素，如硼，銦等由于硼等三價元素原子外層只有三個價電子，它與相鄰的四個硅原子組成共價鍵時，因缺少一個價電子而形成一個空位，附近共價鍵中的價電子會很容易填補這個空位，而在原來價電子處形成一個空穴。硼等原子因得到一個電子成為負離子，而整個半導(dǎo)體仍呈電中性。在摻入硼等雜質(zhì)產(chǎn)生空穴的同時，并不產(chǎn)生新的自由電子，但晶體由于熱激發(fā)會產(chǎn)生少量的電子-空穴對P型半導(dǎo)體中空穴數(shù)遠大于自由電子數(shù)，空穴為多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子），以空穴導(dǎo)電為主。N型半導(dǎo)體：在硅（或鍺）晶體中摻入微量的五價元素，如磷，銻等。

由于磷等五價元素原子外層有五個價電子，其中四個分別與相鄰的四個硅原子組成共價鍵，多余的一個價電子很容易成為自由電子。磷等原子因失去一個電子成為正離子，而整個半導(dǎo)體仍呈電中性。N型半導(dǎo)體自由電子數(shù)量大幅度增加，遠大于由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的空穴的數(shù)量，自由電子為多子，空穴為少子。以自由電子導(dǎo)電為主。PN結(jié)1.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽诎雽?dǎo)體兩個不同的區(qū)域分別摻入三價和五價雜質(zhì)元素，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴濃度的差異，N區(qū)自由電子濃度很高，而P區(qū)內(nèi)空穴濃度很高，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散，即電子和空穴將越過交界面向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散。

多子擴散P區(qū)的空穴擴散到N區(qū)后，與N區(qū)的電子復(fù)合而消失；N區(qū)的自由電子擴散到P區(qū)后，與P區(qū)的空穴復(fù)合而消失。擴散的結(jié)果由于P區(qū)一邊失去空穴，留下帶負電的雜質(zhì)離子；N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，這樣就形成了空間電荷區(qū)。多子擴散空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子因擴散、復(fù)合而消耗盡，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層?？臻g電荷區(qū)產(chǎn)生一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子的擴散起阻擋作用，對少子(P區(qū)的電子和N區(qū)的空穴)向?qū)Ψ絽^(qū)域運動起推動作用。少子在內(nèi)電場作用下的定向運動稱為漂移運動。多子的擴散和少子的漂移是兩種方向相反的運動，當兩種運動達到動態(tài)平衡時，就形成一定寬度的中間電荷區(qū)PN結(jié)PN結(jié)1.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置：P區(qū)接電源正極；N區(qū)接負極正向偏置時外加電壓的電場與結(jié)內(nèi)電場方向相反，在這個外加電場的作用下，PN結(jié)的平衡被打破，外加電場驅(qū)使P區(qū)的空穴，N區(qū)的電子進入空間電荷區(qū)，分別和空間電荷區(qū)的一部分負離子和一部分正離子中和，使PN結(jié)變窄，內(nèi)電場被消弱。多子的擴散增強，形成較大的正向電流，此時PN結(jié)呈現(xiàn)低電阻值，處于導(dǎo)通狀態(tài)。正向偏置時，由少數(shù)載流子形成的漂移電流的方向與擴散電流相反，和正向電流相比，其數(shù)值很小，可以忽略不計PN結(jié)反向偏置：P區(qū)接電源負極；N區(qū)接正極PN結(jié)反向偏置時，外加電壓的電場與結(jié)內(nèi)電場方向同，內(nèi)電場增強，使多子的擴散難以進行，少子的漂移被加強，PN結(jié)內(nèi)的電流由處支配地位的漂移電流決定。由于少子的數(shù)量很小，所以只能形成很小的反向電流。此時PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻值很高，處于截止狀態(tài)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成PN結(jié)PN結(jié)1.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置：P區(qū)接電源正極；N區(qū)接負極PN結(jié)反向偏置：P區(qū)接電源負極；N區(qū)接正極總結(jié)：PN結(jié)加正向電壓時，結(jié)電阻很低，正向電流較大，處于導(dǎo)通狀態(tài)；PN結(jié)加反向電壓時，結(jié)電阻很高，反向電流很小，處于截止狀態(tài)，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。半?dǎo)體二極管二極管的基本結(jié)構(gòu)2.二極管的伏安特性3.二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的核心部分是一個PN結(jié)PN結(jié)的兩端引出電極，P區(qū)引出的電極為陽極，N區(qū)引出的電極為陰極，然后用管殼封裝，就構(gòu)成半導(dǎo)體二極管。

半導(dǎo)體二極管圖形符號半導(dǎo)體二極管按制造材料分為硅管和鍺管。半導(dǎo)體二極管按PN結(jié)的結(jié)構(gòu)分為點接觸型和面接觸型。點接觸型二極管PN結(jié)面積小，不能通過較大的電流，一般用于高頻和小功率的場合；面接觸型二極管PN結(jié)面積大，可以通過較大的電流，一般用于低頻和大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管二極管的基本結(jié)構(gòu)2.二極管的伏安特性3.二極管的主要參數(shù)二極管兩端的電壓與流過二極管電流的關(guān)系曲線稱為二極管的伏安特性，它可以通過實驗測出。二極管加正向電壓時的曲線稱為二極管的正向特性。

二極管加反向電壓時的曲線稱為二極管的反向特性。實驗測出的二極管V-I特性曲線實驗測出的二極管V-I特性曲線正向特性的起始部分，由于正向電壓較小，外電場還不足以克服內(nèi)電場對多子擴散的阻擋，此時二極管的正向電流幾乎為零，二極管呈現(xiàn)出一個大電阻，這一段稱為死區(qū)，A點對應(yīng)的電壓為死區(qū)電壓，硅管約為0.5伏，鍺管0.1伏當正向電壓大于死區(qū)電壓時，內(nèi)電場大為消弱，電流隨電壓的增加迅速增長。硅管正向?qū)妷杭s為0.7伏，鍺管約為0.2伏。實驗測出的二極管V-I特性曲線在二極管反向特性中，在一定電壓內(nèi)，隨反向電壓的增加，二極管的反向電流基本不變，且數(shù)值很小，該電流稱為反向飽和電流。當反向電壓增大到B點所對應(yīng)的反向擊穿電壓時，反向電流突然急劇增加，這一現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿特性。半導(dǎo)體二極管二極管的基本結(jié)構(gòu)2.二極管的伏安特性3.二極管的主要參數(shù)最大整流電流IFM二極管長時間工作時允許的最大正向平均電流。實際應(yīng)用時，二極管通過的正向平均電流不允許超過此值，否則二極管會因過熱而損壞。最大反向工作電壓URM二極管工作時允許外加的最大反向電壓。其值一般為反向擊穿電壓的一半或三分之二。實際使用時，二極管的外加反向電壓不應(yīng)超過此值。

最大反向電流IRM

二極管加最大反向工作電壓時的反向電流。IRM對溫度非常敏感,IRM越大，說明二極管的單向?qū)щ娦阅茉讲睢?/p>

利用二極管的單向?qū)щ娦?，二極管可用于整流、檢波、限幅等。也可在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件使用。實際應(yīng)用中常采用二極管的理想模型。理想二極管加正向電壓導(dǎo)通，導(dǎo)通時正向管壓降近似為零，正向電流由外電路決定；加反向電壓時截止，截止時反向電流為零，截止時承受的反向電壓由外電路決定。例：如圖所示的二極管限幅電路

例：如圖所示的二極管限幅電路

常用的特殊二極管：齊納二極管（穩(wěn)壓管）2.發(fā)光二極管3.光電二極管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極管，其雜質(zhì)濃度比較高，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度大。

穩(wěn)壓管伏安特性曲線和圖形符號

穩(wěn)壓管伏安特性曲線和圖形符號

穩(wěn)壓管與普通二極管的伏安特性類似，主要區(qū)別是反向擊穿特性比普通二極管的更陡；另外，穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)，正常工作時不會因過熱而燒壞。在穩(wěn)壓管的反向擊穿區(qū)，電流在較大范圍內(nèi)變化時，相應(yīng)的電壓變化卻很小，穩(wěn)壓管利用這一特性，在電路中起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管伏安特性曲線和圖形符號

穩(wěn)定電壓UZ:穩(wěn)壓管正常工作時管子兩端的電壓

穩(wěn)定電流IZ:穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時的參考電流，電流低于此值時穩(wěn)壓效果變差，甚至不穩(wěn)壓。穩(wěn)壓功率PZM:

穩(wěn)壓管的功率超過此值時，會因結(jié)溫過高而損壞。動態(tài)電阻：擊穿特性越陡，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好

穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路圖2.發(fā)光二極管：發(fā)光二極管簡稱LED（light-emittingdiode）是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件，采用砷化鎵、磷化鎵等化合物半導(dǎo)體材料制成。發(fā)光二極管圖形符號發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦裕斖饧诱螂妷菏拐螂娏髯銐虼髸r才發(fā)光。正向?qū)妷簽?~2伏，工作電流幾mA到幾十mA，使用時要串聯(lián)限流電阻，要防止正向電流過大而損壞管子。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決定于所用材料，常見的發(fā)光顏色有紅、綠、黃、橙等。發(fā)光二極管除單個使用外，也可制成七段式或點陣式顯示器。3.光電二極管:光電二極管是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件，由光敏半導(dǎo)體材料制成。光電二極管圖形符號光電二極管的基本結(jié)構(gòu)是一個PN結(jié)，管殼上有透明窗口，使光線可以照射到PN結(jié)上。光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)。無光照時，反向電流很小，稱為暗電流；有光照時，其反向電流隨光照強度的增加而增大，稱為光電流。光電二極管可作為光電控制器件或用來進行光的測量。半導(dǎo)體三極管:(雙極結(jié)晶體管)BipolarJunctionTransistor,BJT半導(dǎo)體三極管有三個雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域，一個P區(qū)(或N區(qū))夾在兩個N區(qū)(或P區(qū))中間，所以BJT有NPN型和PNP型。三個雜質(zhì)區(qū)域分別為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)；由三個區(qū)域各引出一個電極，分別稱為發(fā)射極E、基極B和集電極C。三個雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域之間形成兩個PN結(jié)，發(fā)射區(qū)和基區(qū)間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。三極管結(jié)構(gòu)示意圖

三極管結(jié)構(gòu)示意圖

為了使三極管有電流放大作用，在制造時使發(fā)射區(qū)的摻雜濃度很高，基區(qū)很薄(微米數(shù)量級)，而且摻雜濃度很低，集電區(qū)的面積大且摻雜濃度較低，它們不是電對稱的。三極管圖形符號箭頭方向表示發(fā)射極電流的方向。NPN型管電流從發(fā)射極流出，PNP型管電流從發(fā)射極流入。

三極管的工作原理當BJT用作放大元件時，無論是NPN型還是PNP型，都應(yīng)將它們的發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓。NPN型三極管:基極電源EB和基極電阻RB構(gòu)成基極回路，使發(fā)射結(jié)正向偏置；集電極電源EC和集電極電阻RC構(gòu)成集電極回路，且有EC>EB使集電結(jié)反向偏置。發(fā)射極是基極回路和集電極回路的公用端，稱為共發(fā)射極電路。若三極管為PNP型，只需將電源的極性顛倒即可。電路圖三極管內(nèi)載流子的運動

基區(qū)摻雜濃度很低，所以在分析時常忽略基區(qū)空穴的擴散。發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散的自由電子形成發(fā)射極電流IE，方向與電子擴散方向相反，電子注入基區(qū)后很小一部分與基區(qū)的空穴復(fù)合形成基極電流IB，大部分向集電極擴散。

擴散到集電結(jié)邊沿的電子在集電結(jié)反向電壓作用下，被拉入集電區(qū)；同時集電區(qū)的少子空穴及基區(qū)的少子電子在集電結(jié)反向電壓作用下產(chǎn)生漂移。我們忽略掉少子的漂移，則被集電極拉入集電區(qū)的發(fā)射區(qū)電子形成集電極電流IC

由于發(fā)射結(jié)正向偏置，發(fā)射區(qū)的多子自