第九章半导体器件-课件.ppt

1、第第9章章 半导体器件半导体器件 9.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 9.2 半导体二极管半导体二极管 9.3稳压管稳压管9.4半导体三极管半导体三极管第一节第一节 半导体基础知识半导体基础知识 一、半导体的导电特性一、半导体的导电特性 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、掺杂性等特殊性能。二、本征半导体二、本征半导体 本征半导体是一

2、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9.1(a),(b)所示。4惯性核价电子Ge32Si14原子核电子轨道价电子(a)(b)(c)图9.1半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 本征半导体晶体结构示意图如图9.2所示。由图9.2可见，各原子间整齐而有规则地排列着，使每个原子的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

3、力较差。4共价键44444444价电子 图9.2单晶硅的共价键结构 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。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

4、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不同之处。三、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。4自由电子44454444施主原子 图9-5 N型半导体的共价键结构 在N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，使得自由电子数目远大于空穴数目，成为多数载流子(简称多子)，而空穴则为少数载流子(简称少子)。因而

5、N型半导体以自由电子导电为主。2、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，使得整个半导体仍呈中性，如图9-6所示。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

6、。四、PN结结 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9-7所示。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9-7 PN结的形成（a）多子扩散示意图 （b）PN结的形成 2.PN结的单向导电性结的单向导电性 1）外加正向电压（PN结正向偏置）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9-8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，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间

7、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。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9-8，9-9 PN结的单向导电性（a）正向连接;（b）反向连接 2）外加反向电压（PN结反向偏置）将PN结按图9-9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

8、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结结反向偏置时，反向电流很小，这就是反向偏置时，反向电流很小，这就是PNPN结的单向导电性。结的单向导电性。第二节第二节 半导体二极管半导体二极管一、半导体二极管的结构一、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，

9、如图9-10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。图9-10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)阴极引线阳极引线PP型支持衬底(c)阴极阳极(d)Nak 图9-11 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 面接触型二极管或称面结型二极管，其结构如图所示。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

10、用于高频电路中。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所示。二、半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 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9-13所示为锗二极管的 伏安特性;图9-14所示为硅二极管的伏安特性。现以图9-14所示硅二极管为例来分析二极管的伏安特性。00.40.81.2U/V48I/mAA 0.2BC死区电压I/A(b)10 20UB 30 40图9-13 二极管的伏安特性（b）锗二极管2AP15 00.40.81.2U/V48I/mAA 10 20BC二极管特性死区电

11、压I/A(a)50 100 150UBEDRUIRUI 图9-14 二极管的伏安特性 （a）硅二极管2CP6;1）正向特性 0A段：称为“死区”。死区电压 硅管：0.5V；锗管：0.1V 段：称为正向导通区。导通电压 硅管：0.60.7V；锗管：0.20.3V 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，只有很小的反向电流，称反向饱和电流。二极管 在电路中相当于一个断开的开关，呈截止状态。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。发生击穿时所加的反向电压称为反向击穿电压。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

12、。同样，如果对反向击穿后的电流不加以限制，结也会因过热而烧坏，这种情况称为热击穿。三、三、半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数 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Icm 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。2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM 保证二极管不被反向击穿而给出的反向峰值电压，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

13、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最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿电压可大于40V。3.反向峰值电流反向峰值电流IRM 在室温下，二极管未击穿时的反向电流值称为反向峰值电流。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。第三节第三节 稳压二极管稳压二极管 一、稳压管的伏安特性 稳压二极管

14、的伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路如图9-16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。图9-16 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)

15、二、稳压管的主要参数 （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，Izmax将因过热而损坏。（3）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。（4）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。一、半导体三极管的结构半导体三极管的结构 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，如图所示。三极管有三个区：发射区发射载流子的区域；基区

16、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9-18，9-19所示。第四节 半导体三极管 目前NPN型管多数为硅管，PNP型管多数为锗管。因硅NPN型三极管应用最为广泛，故本书以硅NPN型三极管为例来分析三极管及其放大电路的工作原理。NPN集电极 c b集电结发射结集电区基区发射区发射极 eebc(a)b 图9-18 NPN型 三极管的组成与符号 图9-19 PNP型 三极管的组成与符号 PNPcbeebc

17、(b)ceb 为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即：（1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。（2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。（3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。二、半导体三极管的电流分配和放大作用二、半导体三极管的电流分配和放大作用 1.三极管电流分配和放大作用的实验电路三极管电流分配和放大作用的实验电路 三极管要实现放大作用必须满足的

18、外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压，即发射结正偏，集电结反偏。如图9-20所示，其中V为三极管，UCC为集电极电源电压，UBB为基极电源电压，两类管子外部电路所接电源极性正好相反，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。若以发射极电压为参考电压，则三极管发射结正偏，集电结反偏这个外部条件也可用电压关系来表示：对于NPN型：UCUBUE；对于PNP型：UEUBUC。UCCUBBRcVbceUCCUBBRcVbceRb(a)(b)Rb 图7.15三极管电源的接法 （a）NPN型;（b）PNP型IBIEIC结论：（1）IE=IB+IC（2）ICIB；IC IB（3）IB=0，IC=ICE0（IC

19、E0：基极开路时，集射间的穿透电流）（4）IE=0，IC=ICB0 （ICB0：射极开路时，集基的反向饱和电流）2.三极管电流放大作用的原理三极管电流放大作用的原理 在图9-21中，UBB为基极电源电压，用于向发射结提供正向电压，Rb为限流电阻。UCC为集电极电源，要求UCCUBB。它通过Rc、集电结、发射结形成电路。由于发射结获得了正向偏置电压，其值很小（硅管约为0.7V），因而UCC主要降落在电阻Rc和集电结两端，使集电结获得反向偏置电压。图9-21中发射极为三极管输入回路和输出回路的公共端，这种连接方式就是共发射极电路。IBRbUBBeIENPNICRcUCCcICBOb图9-21 NP

20、N型三极管中载流子的运动 在正向电压的作用下，发射区的多子（电子）不断向基区扩散，并不断地由电源得到补充，形成发射极电流IE。基区多子（空穴）也要向发射区扩散，由于其数量很小，可忽略。到达基区的电子继续向集电结方向扩散，在扩散过程中，少部分电子与基区的空穴复合，形成基极电流IB。由于基区很薄且掺杂浓度低，因而绝大多数电子都能扩散到集电结边缘。由于集电结反偏，这些电子全部漂移过集电结，形成集电极电流IC。若考虑集电区及基区少数载流子漂移运动形成的集电结反向饱和电流ICBO则IC，IB和IE为：IB=IBEICB0 IC=ICE+ICB0 IE=ICE+IBE=IB+IC三、半导体三极管的特性曲线

21、三、半导体三极管的特性曲线 1.输入特性曲线输入特性曲线 三极管的特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线，它是三极管内部载流子运动的外部表现。从使用角度来看，外部特性显得更为重要。因为三极管的共射接法应用最广，故以NPN管共射接法为例来分析三极管的特性曲线。由于三极管有三个电极，它的伏安特性曲线比二极管更复杂一些，工程上常用到的是它的输入特性和输出特性。1）输入特性曲线 当UCE不变时，输入回路中的电流IB与电压UBE之间的关系曲线被称为输入特性，即常数CEUBEBUfI)(输入特性曲线如图 923 所示。死区电压：硅管 0.5V 锗管 0.1V正向电压：NPN硅管 0.60.7VPNP锗管

22、 0.20.3V 2、输出特性曲线 当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性曲线，即常数BICECUfI)(固定一个IB值，可得到一条输出特性曲线，改变IB值，可得到一簇输出特性曲线。以硅NPN型三极管为例，其输出特性曲线如图924所示。在输出特性曲线上可划分三个区：放大区、截止区、饱和区。UCE/V46801234饱和区截止区IB 20 A60放大区IC/mA400280100 图924 NPN管共发射极输出特性曲线 （1）放大区。当UCE1V以后，三极管的集电极电流 IC=IB+ICEO，IC与IB成正比而与UCE关系不大。所以输出特性曲线几乎 与横轴平行，

23、当IB一定时，IC的值基本不随UCE变化，具有 恒流特性。IB等量增加时，输出特性曲线等间隔地平行上移。这个区域的工作特点是发射结正向偏置，集电结反向偏置，ICIB。由于工作在这一区域的三极管具有放大作用，因而把该区域称为放大区。（2）截止区。当IB=0时，IC=ICEO，由于穿透电流CEO很小，输出特性曲线是一条几乎与横轴重合的直线。集电结和发射结均反向偏置。（3）饱和区。当UCEUBUE；工作于截止区时，UCUEUB;工作于饱和区时，UBUCUE。四、三极管的主要参数三极管的主要参数 三极管的参数是表征管子性能和安全运用范围的物理量，是正确使用和合理选择三极管的依据。三极管的参数较多，这里

24、只介绍主要的几个。1）电流放大系数 电流放大系数的大小反映了三极管放大能力的强弱。（1）共发射极交流电流放大系数。指集电极电流变化量与基极电流变化量之比，其大小体现了共射接法时，三极管的放大能力。即常数CEUBCII （2）共发射极直流电流放大系数 。为三极管 集电极电流与基极电流之比，即BCII 因与的值几乎相等，故在应用中不再区分，均用表示。2）极间反向电流 （1）集电极基极间的反向电流ICBO ICBO是指发射极开路时，集电极基极间的反向电流，也称集电结反向饱和电流。温度升高时，ICBO急剧增大，温度每升高10，ICBO增大一倍。选管时应选ICBO小且ICBO受温度影响小的三极管。（2）

25、集电极发射极间的反向电流ICEO。ICEO是指基极开路时，集电极发射极间的反向电流，也称集电结穿透电流。它反映了三极管的稳定性，其值越小，受温度影响也越小，三极管的工作就越稳定。3）极限参数 三极管的极限参数是指在使用时不得超过的极限值，以此保证三极管的安全工作。（1）集电极最大允许电流ICM。集电极电流IC过大时，将明显下降，ICM为下降到规定允许值（一般为额定值的2/3）时的集电极电流。使用中若ICICM，三极管不一定会损坏，但明显下降。（2）集电极最大允许耗散功率PCM 管子工作时，UCE的大部分降在集电结上，因此集电极功率损耗PC=UCEIC，近似为集电结功耗，它将使集电结温度升高而使三极管发热致使管子 损坏。工作时的PC必须小于PCM。（3）反向击穿电压U(BR)CEO U(BR)CEO为基极开路时，集电结不致击穿，施加在集电极发射极之间允许的最高反向电压。根据三个极限参数ICM，PCM，U(BR)CEO可以确定三极管的安全工作区，如图927所示。三极管工作时必须保证工作在安全区内，并留有一定的余量。UCE/V0IB 0ICMU（BR）CEOPCMIC/mA图927 三极管的安全工作区