電子技術(shù)第7章-半導體.ppt

1、主講 劉瓊,武科大信息學院,第7章 半導體器件,7.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦?7.3 半導體二極管,7.4 穩(wěn)壓二極管,7.1 半導體的導電特性,7.5 雙極型晶體管,第7章 半導體器件,要點,P型和N型半導體特點： 多子，少子，參入幾價元素,2. PN結(jié)單向?qū)щ娦裕喝绾螌敖刂?3. 二極管的符號；死區(qū)電壓與導通壓降區(qū)別；多個二極管導通原則,4. 穩(wěn)壓管的符號；穩(wěn)壓管正反向?qū)▍^(qū)別,5. 三極管的分類及極間電位；電流放大公式；三極管輸出特性的三個分區(qū)及PN結(jié)狀態(tài),7.1 半導體的導電特性,半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的材料,常見半導體材料有硅、鍺、硒及金屬的氧化物和硫化物等。半導

2、體材料多以晶體的形式存在。,半導體材料的特性：,純凈半導體的導電能力很差； 溫度升高導電能力增強（如鈷、錳、鎳的氧化物做成的熱敏電阻）； 光照增強導電能力增強（如鎘、鉛等硫化物做成的光敏電阻）； 摻入少量雜質(zhì)導電能力增強。,7.1.1 本征半導體,完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體,最常用的半導體為硅(Si)和鍺(Ge)。 它們的共同特征是四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為 4 。,Si,Ge,共價鍵,7.1.1 本征半導體,在本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)中，每個原子與相鄰的四個原子結(jié)合。,每個原子的一個外層價電子與另一原子的一個價電子組成一個電子對，電子對由相鄰兩原子共有，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)。,共價鍵價電子,

3、共價鍵,價電子,自由電子和空穴同時產(chǎn)生,7.1.1 本征半導體,激發(fā),自由電子,溫增和光照,外加電壓,電子電流,離開,?？昭?原子帶正電,吸引相鄰原子價電子填補空穴,好像空穴在運動（正電荷）,外加電壓,空穴電流,與金屬導電的區(qū)別,多,硅原子,自由電子,硅原子,半導體中的自由電子和空穴都能參與導電 半導體具有兩種載流子。,共價鍵,價電子,7.1.1 本征半導體,本征半導體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷進行復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復合會達到動態(tài)平衡，即載流子濃度與溫度有關(guān)。溫度愈高，載流子數(shù)目就愈多，導電性能就愈好溫度對半導體器件性能影響很大,7.1.2 雜質(zhì)半導體,在常溫下

4、，本征半導體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導電能力相當?shù)汀?如果在半導體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素，將得到摻雜半導體，而摻雜半導體的導電能力將大大提高。,由于摻入雜質(zhì)元素的不同，摻雜半導體可分為兩大類N型半導體和 P型半導體,1. N型半導體,當在硅或鍺的晶體中摻入微量磷(或其它五價元素)時，磷原子與周圍四個硅原子形成共價鍵后，磷原子的外層電子數(shù)將是 9 ，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一個價電子。,P,1. N型半導體,摻入磷雜質(zhì)的硅半導體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子導電是這種半導體的導電方式，稱之為電子半導體或N型半導體。,在N型半導體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。,室溫情況下，本征硅中載流

5、子有1.51010個/cm3，當磷摻雜量在106量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。,當在硅或鍺的晶體中摻入微量硼(或其它三價元素)時，硼原子與周圍的四個硅原子形成共價鍵后，硼原子的外層電子數(shù)將是 7 ，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)少一個價電子。,B,2. P型半導體,摻硼半導體中，空穴數(shù)目遠大于自由電子數(shù)目?？昭槎鄶?shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，這種半導體稱為空穴型半導體或P型半導體。,一般情況下，摻雜半導體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子的1010倍或更多，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。,不論是N型還是P型半導體，都只有一種多數(shù)載流子。然而整個半導體晶體仍是電中性的。,2. P型半導體,因為載流子帶正

6、電或負電，原子則相反帶負電或帶正電，整個晶體不帶電。,？,1. 在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。,2. 在雜質(zhì)半導體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。,3. 當溫度升高時，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加電壓的作用下，P 型半導體中的電流 主要是 ，N 型半導體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流）,b,a,練習,7.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?不論是P型半導體還是N型半導體，都只能看做是一般的導電材料，不具有半導體器件的任何特點。,半導體器件的核心是PN結(jié)，是采取一定的工藝措施在一塊半導體

7、晶片的兩側(cè)分別制成P型半導體和N型半導體，在兩種半導體的交界面上形成PN結(jié)。,各種各樣的半導體器件都是以PN結(jié)為核心而制成的，正確認識PN結(jié)是了解和運用各種半導體器件的關(guān)鍵所在。,7.2.1 PN結(jié)的形成,P,N,多數(shù)載流子將進行擴散運動；,耗盡了載流子的交界處留下不可移動的離子形成空間電荷區(qū)；(內(nèi)電場)也稱耗盡層,一塊晶片的兩邊分別為P型半導體和N型半導體,內(nèi)電場阻礙了多子的繼續(xù)擴散，推動少子的漂移運動，最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)寬度一定。,P區(qū) 空穴多 自由電子少,N區(qū) 自由電子多 空穴少,內(nèi)電場,載流子的運動有兩種形式：,擴散 由于載流子濃度梯度引起的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動。

8、,漂移 載流子受電場作用沿電場力方向的運動。,耗盡層中載流子的擴散和漂移運動最后達到一種動態(tài)平衡，這樣的耗盡層就是PN結(jié),PN結(jié)內(nèi)電場的方向由N區(qū)指向P區(qū)。,7.2.1 PN結(jié)的形成,7.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)未加電壓時，載流子的擴散和漂移運動處于動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定。,1) 加正向電壓,將電源的”+”接P區(qū)、”-”接N區(qū)。,擴散增強,I,下面討論加有外部電壓時的PN結(jié)特性。,外電場作用,P區(qū)空穴進入PNN,N區(qū)電子進入PNP,PN結(jié)內(nèi)正負離子被抵消,PN結(jié)變窄,電荷易過電阻低,內(nèi)電場弱,漂移變?nèi)?多子形成正向電流（包括方向一致的空穴電流和電子電流）,外電源不斷提供電

9、荷維持電流。,2) 加反向電壓,將外電源的正端接N區(qū)、負端接P區(qū)。,外電場與內(nèi)電場方向相同，空間電荷區(qū)變寬。擴散運動變?nèi)?，漂移運動增強，參與漂移運動的載流子是少子，反向電流極小。,P,N,I0,少子是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，即溫度愈高少子的數(shù)量愈多，故溫度對反向電流的影響很大。,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即正向（P+N-）導通、反向截止,7.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?7.3 半導體二極管7.3.1 結(jié)構(gòu)與分類,將PN結(jié)加上電極引線及外殼，就構(gòu)成了半導體二極管。 PN結(jié)是二極管的核心。根據(jù)所用材料不同，二極管有硅二極管和鍺二極管兩種。,既然二極管是由 PN 結(jié)構(gòu)成的，它自然具有著單向?qū)щ娦?。某種硅二極管的

10、電流-電壓關(guān)系 (伏安特性)可見圖示：,由電壓零點分為正向區(qū)和反向區(qū),正向：由死區(qū)電壓分為死區(qū)和導通區(qū),0-0.5v:正壓低外電場0.5v:正壓高外電場內(nèi)電場內(nèi)電場大大削弱正向電流大導通壓降：,7.3.2 伏安特性,死區(qū),導通區(qū),(Si-0.5V Ge-0.1V),Si 0.60.7V Ge 0.20.3V,截止區(qū):負壓小漂移強(少子)很小反向電流反向飽和電流,反向：由擊穿電壓分為截止區(qū)和擊穿區(qū),7.3.2 伏安特性,擊穿區(qū):負壓大二極管失去單向?qū)щ娦該舸┓聪驌舸╇娏鞑豢赡?擊穿原因：碰撞和非碰撞,碰撞:強電場中載流子獲大能量碰撞晶格價電子彈出，產(chǎn)生電子空穴對即新的載流子再碰撞晶格雪崩反應，反

11、向電流越來越大反向擊穿,非碰撞:強電場直接將共價鍵中價電子拉出，產(chǎn)生電子空穴對，形成較大反向電流,二極管的特性不僅可用伏安曲線表示，也可用一些數(shù)據(jù)進行說明這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管的主要參數(shù)有：,1. 最大整流電流IOM 二極管長時間使用所允許通過的最大正向平均電流。,2. 反向工作峰值電壓URWM 保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，為反向擊穿電壓的1/2至2/3。,3. 反向峰值電流IRM 二極管加反向峰值電壓時的反向電流值。該值愈大說明二極管的性能愈差，硅管的此參數(shù)值為微安級以下。,7.3.3 主要參數(shù),4. 最高工作頻率fM 二極管能承受的外施電壓的最高頻率。若超過則失去單向

12、導電性。PN結(jié)兩側(cè)的空間電荷與電容極板充電時所儲存的電荷類似，稱為結(jié)電容,1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負 ）時， 二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。,2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正 ）時， 二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。,3. 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?4. 二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。,二極管的單向?qū)щ娦钥偨Y(jié),定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài),導通截止,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。,若 V陽 V陰或 U

13、D為正( 正向偏置 )，二極管導通 若 V陽 V陰或 UD為負( 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于斷開。,7.3.4 二極管的應用,電路如圖，求：UAB,V陽 =6 V V陰 =12 V V陽V陰 二極管導通 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6.3或6.7V,例1：,取 B 點作參考點，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。,7.3.4 二極管的應用,+ -,如圖由RC構(gòu)成微分電路，當輸入電壓ui為矩形波時，試畫出輸出電壓uo的波形。(設uc0 =

14、0),7.3.4 二極管的應用,應用：整流、檢波、限幅、元件保護、開關(guān)元件,a、檢波,+ -,+ -,+ -,充電,+ -,反向不通,=0,=0,+ -,- +,- +,0,- +,UR=Ui-UC,UR=UC,放電,正向?qū)?二極管使uo 只留下負尖脈沖，起限幅作用,7.3.4 二極管的應用,b、鉗位、隔離,如圖鍺管，VA=+3V，VB=0V R接負電源-12V，求VY,多個二極管導通原則： 設所有管不通，所有R短路，計算各管上正向電壓，誰高誰導通。 導通管有壓降，剩下各管重新計算電壓。大于死區(qū)電壓導通，否則截止。,解：,UDA=3-（-12）=15V UDB=0-（-12）=12V DA優(yōu)

15、先導通， 導通壓降設為0.3V VY=3-0.3=2.7V,+ -,+ -,UDB=0-2.7=-2.7V DB反向截止。,DA起鉗位作用，把VY鉗住在2.7V DB起隔離作用，隔離輸入B和輸出Y,類比 例7.3.1,ui 5V，二極管導通，可看作短路 uo = E=5V ui 5V，二極管截止，可看作開路 uo = ui,二極管是理想的，試畫出輸出電壓uo 波形。,5V,例7.3.2,參考點,7.3.4 二極管的應用,已知：,電源電動勢E=5V,二極管陰極電位為 5 V,c、限幅,二極管使uo 輸出不超過5V，起限幅作用,7.4 穩(wěn)壓二極管7.4.1 伏安特性,穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極

16、管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。,穩(wěn)壓管的圖形符號：,穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，只是反向曲線更陡一些。,7.4.1 伏安特性,穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)，常見電路如下。,在電路中穩(wěn)壓管是反向聯(lián)接的。 當U i大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，穩(wěn)壓管被擊穿（可逆），電流將增大，電阻R兩端的電壓增大，在一定的電流范圍內(nèi)穩(wěn)壓管兩端的電壓基本不變，輸出電壓U o等于U z 。,1、穩(wěn)定電壓Uz 指穩(wěn)壓管正常工作時的端電壓。 同一型號穩(wěn)壓管UZ也不一定相等。,2、穩(wěn)定電流IZ 正常工作的參考電流值。 每種型號穩(wěn)壓管都規(guī)定有一個最大穩(wěn)定電流IZM，超過它，易發(fā)生熱擊穿（不可逆），穩(wěn)壓管損毀

17、,IZIZM。,7.4.1 主要參數(shù),3、電壓溫度系數(shù) U,說明穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)。,如：穩(wěn)壓管2CW18的電壓溫度系數(shù)為0.095% / C 假如在20 C時的穩(wěn)壓值為11V，當溫度升高到50 C時的穩(wěn)壓值將為,特別說明：穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)有正負之別。,因此選用6V左右的穩(wěn)壓管，具有較好的溫度穩(wěn)定性。,7.4.1 主要參數(shù),4、動態(tài)電阻rZ 穩(wěn)壓管子端電壓和通過其電流的變化量之比。穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓效果越好。,5、最大允許耗散功耗PZM 保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。,其值為穩(wěn)定電壓和允許的最大電流乘積,7.4.1 主要參數(shù),如圖，通過穩(wěn)壓管的電

18、流IZ等于多少？,解：,UR=18-10=8V,IZ=IR=8/1.6=5mA18mA,因IZ=18mA I1=50-18=32mA,R1=UZ/I1=10/32=0.3125k,例7.4.1,由于IZIZM，所以限流電阻R阻值合適,若R阻值縮小十倍，IZ=?,IZ=IR=8/0.16=50mA18mA,此時需對穩(wěn)壓管并聯(lián)R1=？,7.5 雙極型晶體管7.5.1 基本結(jié)構(gòu),半導體三極管(晶體管)是最重要的一種半導體器件。廣泛應用于各種電子電路中。,晶體管最常見的結(jié)構(gòu)有平面型和合金型兩種。平面型都是硅管、合金型主要是鍺管。它們都具有NPN或PNP的三層兩結(jié)的結(jié)構(gòu)，因而又有NPN和PNP兩類晶體管

19、。,其三層分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并引出發(fā)射極(E)、基極(B)和集電極(C)三個電極。三層之間的兩個PN結(jié)分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。,7.5.1 基本結(jié)構(gòu),雜質(zhì)多,尺寸大,不行,+ + -,- - +,1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子,內(nèi)部載流子運動規(guī)律,發(fā)射結(jié)處于正向偏置，摻雜濃度較高的發(fā)射區(qū)向基區(qū)進行多子擴散。,放大作用的內(nèi)部條件：基區(qū)很薄且摻雜濃度很低。,2、電子在基區(qū)的擴散和復合,基區(qū)厚度很小，電子在基區(qū)繼續(xù)向集電結(jié)擴散。（但有少部分與空穴復合而形成IBE IB）,7.5.2 電流放大作用,B,E,C,N,N,P,EB,RB,EC,要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置、集電結(jié) 必須反

20、向偏置具有放大作用的外部條件。,3、集電區(qū)收集擴散電子,集電結(jié)為反向偏置使內(nèi)電場增強，對從基區(qū)擴散進入集電結(jié)的電子進行加速，收集電子到集電區(qū)，形成集電極電流(ICE IC)。,由電流分配關(guān)系示意圖可知發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流IE將分成兩部分ICE和IBE，它們的比值為,它表示晶體管的電流放大能力，稱為電流放大系數(shù),7.5.2 電流放大作用,少子運動形成反向截止電流,B,E,C,N,N,P,EB,RB,EC,IBE,ICE,在晶體管中，不僅IC比IB大很多；當IB有微小變化時還會引起IC的較大變化。,根據(jù)晶體管放大的外部條件，發(fā)射結(jié)必須正向偏置,電位P高N低，集電結(jié)必須反向偏置，電位P低N高。

21、則,對于NPN型晶體管,且,對于PNP型晶體管,且,7.5.2 電流放大作用,發(fā)射結(jié),集電結(jié),NPN,集電結(jié),發(fā)射結(jié),PNP,某放大電路中，測得一晶體管3個電極的對地電位分別為VX=-6V，VY=-3.4V、VZ=-3.2V，試判斷該晶體管是NPN型還是PNP型，鍺管還是硅管，并確定三個電極。,2. 判斷鍺管還是硅管： 另兩個電位分別與基極相減，結(jié)果為0.60.7V為硅管，結(jié)果為0.20.3V為鍺管；產(chǎn)生壓降的為發(fā)射結(jié)。,例 習題7.8.3-7,解：,4. 剩下管腳為集電極。,3. 確定類型：發(fā)射結(jié)除基極外的另一端為發(fā)射極；基極電位高于發(fā)射極電位，則基極為P，發(fā)射極為N，晶體管為NPN型，否則

22、為PNP型。,VY-VZ=-3.4-（-3.2）=-0.2V，鍺管；YZ為發(fā)射結(jié)。,VY=-3.4VVZ=-3.2V，Y為N，Z為P，晶體管為PNP型。,確定基極： 三個電位比較大小，無論NPN型還是PNP型，中間電位為基極。,- -N +P,Y,VX=-6VVY=-3.4VVZ=-3.2V，Y為基極。,Z,X,P,7.5.3 特性曲線,最常用的是共發(fā)射極接法的輸入特性曲線和輸出特性曲線，實驗測繪是得到特性曲線的方法之一。特性曲線的測量電路見右圖。,用晶體管特性圖示儀也可直接測量及顯示晶體管的各個特性曲線。,晶體管的特性曲線是表示一只晶體管各電極電壓與電流之間關(guān)系的曲線。是應用晶體管和分析放大

23、電路的重要依據(jù)。,1. 輸入特性曲線,輸入特性曲線當UCE為常數(shù)時的IB與UBE之間的關(guān)系曲線。,3DG6的輸入特性曲線,對硅管來說，當 UCE 1V時，集電結(jié)已處于反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置所形成電流的絕大部分將形成集電極電流， UCE 1V后，輸入特性曲線基本重合，只畫一條。但IB與UBE的關(guān)系依然與PN結(jié)的正向類似。(當UCE更小， IB才會明顯增加),硅管的死區(qū)電壓為0.5V， 鍺管的死區(qū)電壓不超過0.1V。,放大狀態(tài) 硅NPN管UBE=0.60.7V 導通壓降： 鍺PNP管UBE = -0.2-0.3V,(參見右圖),2. 輸出特性曲線,當IB一定時，UCE超過約1V以后就將形成IC，

24、當UCE繼續(xù)增加時， IC 的增加將不再明顯。這是晶體管的恒流特性,當IB增加時，相應的IC也增加，曲線上移，而且IC比IB 增加得更明顯。這是晶體管的電流放大作用。,輸出特性曲線是在IB為常數(shù)時，IC與UCE之間的關(guān)系曲線。在不同的IB下，可得到不同的曲線，即晶體管的輸出特性曲線是一組曲線(見下圖)。,(1) 放大區(qū),特性曲線近于水平的區(qū)域。在放大區(qū),也稱線性區(qū)。此時發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。,(2) 截止區(qū),IB=0曲線以下的區(qū)域。 IB=0時IC= ICEO。對于硅管當UBE 0.5V時即開始截止。為了可靠截止常使UBE0。即截止時兩個PN結(jié)都反向偏置。,通常將晶體管的輸出特性曲線

25、分為三個工作區(qū)：,2. 輸出特性曲線,IB=0,20A,2. 輸出特性曲線,當UCE UBE時，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)， IB的變化對IC影響較小，失去放大作用。,即：飽和時，晶體管的發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)也處于正偏。,各態(tài)偏置情況：,(3) 飽和區(qū),IB=0,20A,放大區(qū),晶體管的特性不僅可用特性曲線表示，還可用一些數(shù)據(jù)進行說明，即晶體管參數(shù)。它是設計電路和選用器件的依據(jù)。,當晶體管接成共發(fā)射極時，靜態(tài)(直流)時的IC與IB的比值稱為共發(fā)射極靜態(tài)(直流)放大系數(shù)：,當晶體管工作在動態(tài)時，電流增量IC與IB的比值稱為動態(tài)(交流)放大系數(shù)：,1. 電流放大系數(shù) 、,7.5.4