第6章-半导体器件课件.ppt
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1、山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 6.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 6.2 半导体二极管半导体二极管 6.3 半导体三极管半导体三极管6.4 场效应管场效应管 山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 6.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 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
2、殊性能。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 一、本征半导体一、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),(b)所示。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 4惯性核价电子Ge32Si14原子核电子轨道价电子(a)(b)(c)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 山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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
3、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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 4共价键44444444价电子 图6.2单晶硅的共价键结构山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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”。空穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键
4、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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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
5、不同之处。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 二、二、杂质半导体杂质半导体 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
6、仍呈中性,如图6.3所示。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 4由于热激发而产生的自由电子44444444自由电子移走后留下的空穴 图6.3P型半导体的共价键结构山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 在P型半导体中,原来的晶体仍会产生电子空穴对,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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 2.N型半导体型半导体 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
7、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。性能的有效方法。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 4自由电子44454444施主原子 图6.4 N型半导体的共价键结构山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 三、三、PN结的形成及特性结的形成及特性 1.PN结的形成结的形成 在同一块半导体基片的两边分别形
8、成N型和P型半导体,它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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 P区(a)N区(b)PN耗尽层空间电荷区扩散运动方向自建场 图6.5PN结的形成(a)多子扩散示意图;(b)PN结的形成山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 2.PN结的单向导电性结的单向导电性 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
9、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,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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 结变窄PN自建场方向外电场方向正向电流(很大)结变宽PN自建场方向外电场方向反向电流(很小)(a)(b)图6.6PN结的单向导电性(a)正向连接;(b)反向连接山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 2)PN结反向
10、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,综上所述,PNPN结正向偏置时,正向电流很大;结正向偏置时,正向电流很大;PNPN结反向偏置时,反向电流很小,这就结反向偏置时,反向电流很小,这就是是PNPN结的单向导结的单向导电性。电性。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 6.
11、2 半导体二极管半导体二极管 一、一、半导体二极管的结构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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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;金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)山东大王职业学院
12、山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 阴极引线阳极引线PP型支持衬底(c)阴极阳极(d)Nak 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)图形符号山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 二、半导体二极管的特性半导体二极
13、管的特性 1.伏安特性伏安特性 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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 0 0.4 0.8 1.2U/V48I/mAA1020BC二极管特性死区电压I/A(a)50100150UBEDRUIRUI 图6.8 二极管的伏安特性 (a)硅二极管2CP6;山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 0 0.4 0.8 1.2U/V48I/mAA0.2BC死区
14、电压I/A(b)1020UB3040图6.8 二极管的伏安特性(b)锗二极管2AP15 山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 1)正向特性 0A段:称为“死区”。段:称为正向导通区。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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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,
15、结也会因过热而烧坏,这种情况称为热击穿。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 2.温度特性温度特性 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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 60402010020030010200 0.518020U/VUFIS/AI/mA 图6.9 温度对二极管伏安特
16、性的影响山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 (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,二极管的导通压降综上所述,温度升高时,二极管的导通压降F F降降低,反向击穿电压低,反向击穿电压U UB B减小,反向饱和电流减小,反向饱和电流I IS S增大。增大。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 三、三、半导体二极管的主要参数半导体二极
17、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、正确地使用二极管。1.最大整流电流最大整流电流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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 2.反向击穿电压反向击穿电压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
18、电压规定为20V,而实际反向击穿电压可大于40V。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 3.反向饱和电流反向饱和电流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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 4.2.4 特殊二极管特殊二极管 特殊用途的二极管在电子设备中早已得到
19、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。只要山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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。山东大王职业学院山东大王职业
20、学院 电工电子技术电工电子技术 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(b)U/VI/mAOUZ(a)IZminUZABIZmaxRUzUi(c)山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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电流。山东大王职业学院山东大王职业学
21、院 电工电子技术电工电子技术 (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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 2.光电二极管光电二极管 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。
22、光电二极管的主要特点是其反向电流与光照度成正比。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 ak(a)ipUpak(b)108642ip/AUp/V50400E200 lx(c)0 图6.11 光电二极管 ()图形符号;()等效电路;()特性曲线山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 3.发光二极管发光二极管 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
23、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。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 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,以致在
24、接收电路的输出端复原为0V电压的脉冲信号。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 ak(a)05 V脉冲串发光二极管发射电路LEDRS500(b)UCCUo5 VRL43 k光电二极管接收电路光缆 图6.12 发光二极管(a)图形符号;(b)光电传输系统山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 6.3 半导体三极管半导体三极管 半导体三极管根据其结构和工作原理的不同可以分为双极型和单极型半导体三极管。双极型半导体三极管(简称BJT),又称为双极型晶体三极管或三极管、晶体管等。之所以称为双极型管,是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电。而单极型半导体三极
25、管只有一种载流子导电。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电子技术 一、一、半导体三极管的结构和类型半导体三极管的结构和类型 三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结,并引出三个电极,如图6.13所示。三极管有三个区:发射区发射载流子的区域;基区载流子传输的区域;集电区收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极(极)、基极(极)和集电极(极)。发射区和基区在交界处形成发射结;基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同,三极管可分为NPN型和PNP型两大类,如图6.13 6.14所示。山东大王职业学院山东大王职业学院 电工电子技术电工电
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