第2章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

問題：1.常用電子器件有哪些？2.這些器件有什么特點(diǎn)？主講:章春娥第2章二極管及其典型應(yīng)用第2章二極管及其典型應(yīng)用2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2.2PN結(jié)2.3二極管的結(jié)構(gòu)與類型2.4二極管典型應(yīng)用電路2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、半導(dǎo)體的特性二、本征半導(dǎo)體三、雜質(zhì)半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體特性何謂半導(dǎo)體？物體分類導(dǎo)體—

導(dǎo)電率為105s.cm-1，量級(jí)，如金屬絕緣體—

導(dǎo)電率為10-22-10-14s.cm-1量級(jí)，如：橡膠、云母、塑料等。—

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導(dǎo)體

半導(dǎo)體特性摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻雜特性半導(dǎo)體器件溫度增加使導(dǎo)電率大為增加溫度特性熱敏器件光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)光照特性光敏器件光電器件二、本征半導(dǎo)體及半導(dǎo)體的能帶本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。純度：99.9999999%，“九個(gè)9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導(dǎo)體+4晶體特征在晶體中，質(zhì)點(diǎn)的排列有一定的規(guī)律。硅（鍺）的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型價(jià)電子正離子注意：為了方便，原子結(jié)構(gòu)常用二維結(jié)構(gòu)描述，實(shí)際上是三維結(jié)構(gòu)。鍺晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)示意圖價(jià)帶中留下的空位稱為空穴導(dǎo)帶自由電子定向移動(dòng)形成電子流本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子價(jià)帶禁帶EG外電場(chǎng)E束縛電子填補(bǔ)空穴的定向移動(dòng)形成空穴流12二、本征半導(dǎo)體及半導(dǎo)體的能帶（續(xù)）掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子熱激發(fā)、本征激發(fā)1.本征半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對(duì)出現(xiàn)的2.在外電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電流—電子流和空穴流電子流自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成的與外電場(chǎng)方向相反自由電子始終在導(dǎo)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)空穴流價(jià)電子遞補(bǔ)空穴形成的與外電場(chǎng)方向相同空穴始終在價(jià)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)二、本征半導(dǎo)體及半導(dǎo)體的能帶（續(xù)）3.本征半導(dǎo)體在熱力學(xué)溫度0K和沒有外界能量激發(fā)下，不導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體的載流子的濃度電子濃度ni

:表示單位體積的自由電子數(shù)空穴濃度pi:表示單位體積的空穴數(shù)。A0—與材料有關(guān)的常數(shù)EG—禁帶寬度，能量度量T—絕對(duì)溫度K—玻爾曼常數(shù)結(jié)論1.本征半導(dǎo)體中電子濃度ni=空穴濃度pi

2.載流子的濃度與T、EG有關(guān)

二、本征半導(dǎo)體及半導(dǎo)體的能帶（續(xù)）

載流子的產(chǎn)生與復(fù)合g——載流子的產(chǎn)生率即每秒成對(duì)產(chǎn)生的電子空穴的濃度。R——載流子的復(fù)合率即每秒成對(duì)復(fù)合的電子空穴的濃度。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)g=R

R=r

nipi

其中r—復(fù)合系數(shù)，與材料有關(guān)二、本征半導(dǎo)體及半導(dǎo)體的能帶（續(xù)）三、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高。

摻入的三價(jià)元素如B（硼）、Al（鋁）等，形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體。

摻入的五價(jià)元素如P（磷）、砷等，形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入的五價(jià)元素如P。價(jià)帶導(dǎo)帶+++++++施主能級(jí)自由電子是多子空穴是少子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由于五價(jià)元素很容易貢獻(xiàn)電子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為正離子。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體（續(xù)）

P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入的三價(jià)元素如B。價(jià)帶導(dǎo)帶-------受主能級(jí)自由電子是少子空穴是多子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體（續(xù)）雜質(zhì)半導(dǎo)體（續(xù)）

雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度

因摻雜的濃度很小，可近似認(rèn)為復(fù)合系數(shù)R保持不變，在一定溫度條件下，空穴與電子濃度的乘積為一常數(shù)，即存在如下關(guān)系。n·p=ni·pi=ni2=C

在雜質(zhì)型半導(dǎo)體中，多子濃度比本征半導(dǎo)體的濃度大得多，而少子濃度比本征半導(dǎo)體的濃度小得多，但兩者乘積保持不變，并等于ni2

。N型半導(dǎo)體：施主雜質(zhì)的濃度ND

n表示總電子的濃度

p表示空穴的濃度n

=p+ND≈ND（施主雜質(zhì)的濃度>>p）P型半導(dǎo)體：NA表示受主雜質(zhì)的濃度，

n表示電子的濃度

p表示總空穴的濃度p=n+NA≈NA

（受主雜質(zhì)的濃度>>n）2.2PN結(jié)一、PN結(jié)的形成二、PN結(jié)的接觸電位差三、PN結(jié)的伏安特性四、PN結(jié)電容五、PN結(jié)的反向擊穿六、PN結(jié)的光電效應(yīng)與電致發(fā)光一、PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流成為擴(kuò)散電流內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)促進(jìn)少子向?qū)Ψ狡萍创龠M(jìn)了漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)=漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡3耗盡層=PN結(jié)導(dǎo)電性能？?jī)?nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移運(yùn)動(dòng)少子向?qū)Ψ狡?稱漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流。動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流=漂移電流，PN結(jié)內(nèi)總電流=0。PN結(jié)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，又稱高阻區(qū)，也稱耗盡層。一、PN結(jié)的形成（續(xù)）內(nèi)電場(chǎng)U內(nèi)電場(chǎng)的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生電位差。從而形成可以使PN結(jié)導(dǎo)電的接觸電位U接觸電位U決定于材料及摻雜濃度二、PN結(jié)的接觸電位差硅：U=0.6～0.7V鍺：U=0.2～0.3V三、PN結(jié)的伏安特性1.PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外電場(chǎng)方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響(高于接觸電位)。

PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性，處于導(dǎo)通狀態(tài)。P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；內(nèi)4外2.PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流加大。此時(shí)PN結(jié)區(qū)少子漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流。

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性，近似認(rèn)為截止?fàn)顟B(tài)。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏；內(nèi)5外三、PN結(jié)的伏安特性（續(xù)）

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。小結(jié)：

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。67三、PN結(jié)的伏安特性（續(xù)）問題：有必要加電阻R嗎？式中Is反向飽和電流，10-8~10-14A；

UT=kT/q溫度電壓當(dāng)量

k波爾茲曼常數(shù)；q為電子的電量；

T=300k（室溫）時(shí)UT=26mvPN結(jié)兩端的電壓與流過PN結(jié)電流的關(guān)系式由半導(dǎo)體物理可推出：當(dāng)加反向電壓時(shí)：當(dāng)加正向電壓時(shí)：(U>>UT)三、PN結(jié)的伏安特性（續(xù)）3.PN結(jié)電流方程當(dāng)加反向電壓時(shí)：當(dāng)加正向電壓時(shí)：(U>>UT)三、PN結(jié)的伏安特性（續(xù)）結(jié)電流方程IU四、PN結(jié)電容勢(shì)壘電容CB

當(dāng)外加電壓不同時(shí)，耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，與電容的充放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容為勢(shì)壘電容。

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。四、PN結(jié)電容（續(xù)）注意：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容,并同時(shí)存在。外加電壓變化緩慢時(shí)可以忽略，但是變化較快時(shí)不容忽略。擴(kuò)散電容CD

外加電壓不同情況下，P、N區(qū)少子濃度的分布將發(fā)生變化，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累與釋放過程與電容充放電過程相同，這種電容等效為擴(kuò)散電容。五、PN結(jié)的反向擊穿反向擊穿：PN結(jié)上所加的反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，反向電流激增的現(xiàn)象。雪崩擊穿當(dāng)反向電壓增高時(shí)，少子獲得能量高速運(yùn)動(dòng)，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。形成連鎖反應(yīng)，象雪崩一樣。使反向電流激增。齊納擊穿當(dāng)反向電壓較大時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)直接從共價(jià)鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。擊穿是可逆。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生。擊穿是可逆。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生。不可逆擊穿—熱擊穿。PN結(jié)的電流或電壓較大，使PN結(jié)耗散功率超過極限值，使結(jié)溫升高，導(dǎo)致PN結(jié)過熱而燒毀。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｐ〗Y(jié)：

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。67三、PN結(jié)特性總結(jié)一、晶體二極管的結(jié)構(gòu)類型二、晶體二極管的伏安特性三、晶體二極管的等效電阻四、光電二極管五、發(fā)光二極管六、穩(wěn)壓二極管七、變?nèi)荻O管2.4、二極管的典型應(yīng)用2.3二極管的結(jié)構(gòu)與類型一、晶體二極管的結(jié)構(gòu)類型在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。伏安特性：是指二極管兩端電壓和流過二極管電流之間的關(guān)系。由PN結(jié)電流方程求出理想的伏安特性曲線，IU1.當(dāng)加正向電壓時(shí)PN結(jié)電流方程為：2.當(dāng)加反向電壓時(shí)I

隨U↑，呈指數(shù)規(guī)律↑I=-Is

基本不變二、晶體二極管的伏安特性晶體二極管的伏安特性正向起始部分存在一個(gè)死區(qū)或門坎，稱為門限電壓。

加反向電壓時(shí)，反向電流很小。Is硅(nA)<Is鍺(A)

硅管比鍺管穩(wěn)定。當(dāng)反壓增大到VBR時(shí)再增加，反向激增，發(fā)生反向擊穿，VBR稱為反向擊穿電壓。實(shí)測(cè)伏安特性①②③二、晶體二極管的伏安特性（續(xù)）材料門限電壓導(dǎo)通電壓Is/μA硅0.5～0.6V0.7V<0.1鍺0.1～0.2V0.3V幾十非線性電阻直流電阻R(也稱靜態(tài)電阻）交流電阻r（又稱動(dòng)態(tài)電阻或微變電阻）1.直流電阻及求解方法定義二極管兩端的直流電壓UD與電流ID之比IDIUUDD三、晶體二極管的等效電阻三、晶體二極管的等效電阻(續(xù)）直流電阻的求解方法：借助于靜態(tài)工作點(diǎn)Q（IQ，UQ）來求。IDEDDRLUD方法一：解析法列寫二極管電流方程和電路方程：解方程組，得到二極管靜態(tài)工作電流IQ和電壓UQ，三、晶體二極管的等效電阻(續(xù)）方法二：圖解法IDEDDRLUDIUU=ED-IRL繪制直流負(fù)載線U=0I=ED/RLI=0U=EDED/RLEDQIQUQ由靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)得IQ和UQ，從而求出直流電阻直流負(fù)載線與伏安特性曲線的交點(diǎn)由電路可列出方程：2.交流電阻rD的計(jì)算方法RLEDDUIQUUI室溫（T=300K）下,UT=26mV。交流電阻：r=26mV/IQ

(mA)定義：注意:交流電阻rD與其靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。說明：二極管正偏時(shí)，rD很?。◣字翈资畾W姆）二極管反偏時(shí)，rD很大（幾十千至幾兆歐姆）。四、光電二極管1定義：有光照射時(shí)，將有電流產(chǎn)生的二極管。2類型：PIN型、PN型、雪崩型3結(jié)構(gòu)：和普通的二極管基本相同4工作原理：利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作，PN結(jié)工作在反偏態(tài)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，束縛電子獲得光能變成自由電子，形成光生電子—空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下形成光生電流。DEDDRLUDIP注意：應(yīng)在反壓狀態(tài)工作光電二極管1.定義：將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊半導(dǎo)體器件。3.常用驅(qū)動(dòng)電路：直流驅(qū)動(dòng)電路交流驅(qū)動(dòng)電路普通發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管……2.類型五、發(fā)光二極管4.工作原理：當(dāng)管子加正向電壓時(shí)，在正向電流激發(fā)下，管子發(fā)光，屬電致發(fā)光。注意：發(fā)光二極管在加正向電壓時(shí)才發(fā)光。六、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管穩(wěn)壓特性：在反向擊穿時(shí)，電流急劇增加而PN結(jié)兩端的電壓基本保持不變。正向部分與普通二極管相同。工作區(qū)在反向擊穿區(qū)RZUZ特性參數(shù)：1.穩(wěn)定電壓VZ:反向擊穿電壓。2.最大工作電流Izmax:受耗散功率的限制，使用時(shí)必須加限流電阻。避免熱擊穿！穩(wěn)壓二極管特性參數(shù)：1.穩(wěn)定電壓VZ:2.最大工作電流Izmax:3.動(dòng)態(tài)電阻，RZ很小，十幾歐姆~幾十歐姆。穩(wěn)壓管使用方法：穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接,并串入一只電阻。電阻R的作用：一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管。二是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。六、穩(wěn)壓二極管（續(xù)）Z七、變?nèi)荻O管

利用結(jié)勢(shì)壘電容CT隨外電壓U的變化而變化的特點(diǎn)制成的二極管。符號(hào)：注意：使用時(shí)，應(yīng)加反向電壓。半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：附錄半導(dǎo)體二極管圖片附錄半導(dǎo)體二極管圖片附錄半導(dǎo)體二極管圖片附錄~220Ve2iDuL應(yīng)用一：整流電路整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路。半波整流u2E2m+-iDuL~220Vu2iDuL+-2.4、二極管的典型應(yīng)用半波整流輸出電壓平均值為UDC設(shè)：u2是輸入信號(hào)電壓，U2是u2的有效值，E2m是u2的最大值E2m設(shè)全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLu2′u2u2uL2.4二極管的典型應(yīng)用（續(xù)）橋式整流~220Vu2uL+-~220Vu2uL+-u2uLUDC≈0.9U22.4二極管的典型應(yīng)用（續(xù)）u2>0時(shí)u2<0時(shí)應(yīng)用二：LED顯示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共陽極電路共陰極電路控制端為高電平對(duì)應(yīng)二極管發(fā)光控制端為低電平對(duì)應(yīng)二極管發(fā)光e2.4二極管的典型應(yīng)用（續(xù)）應(yīng)用三：穩(wěn)壓電路。工作原理：利用穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定的直流電壓。第八章重點(diǎn)介紹2.4二極管的典型應(yīng)用（續(xù)）應(yīng)用四：限幅電路。工作原理：利用二極管單向?qū)щ娦?，限定輸出信?hào)的幅度。2.4二極管的典型應(yīng)用（續(xù)）應(yīng)用五：鉗位電路。結(jié)論：利用二極管和電容，把一個(gè)雙向的周期信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻男盘?hào)，并保持原信號(hào)波形的電路。工作原理：當(dāng)輸入ui>0時(shí)，二極管瞬間導(dǎo)通，C快速充電，Uc=V1，充電結(jié)束，R無電流，輸出uo=0.

當(dāng)輸入ui<0時(shí)，二極管截止，C放電緩慢，輸出uo=-Uc+ui=-V1-V2。小結(jié)

半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物體。具有一系列特殊的性能，如摻雜、光照和溫度都可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。利用這些性能可制作成具有各種特性的半導(dǎo)體器件。

PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，具有單向?qū)щ娦?、非線性電阻特性、電容效應(yīng)、擊穿穩(wěn)壓特性。當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，呈現(xiàn)低阻特性。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)高阻特性。晶體二極管實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)，描述二極管的性能常用二極管的伏安特性，可用二極管的電流方程來描述。即二極管兩端的電壓和流過的電流滿足I=Is(eU/UT-1)。硅管：當(dāng)UD>0.7V時(shí)，二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通后，UD=0.7V鍺管：當(dāng)UD>0.3V時(shí)，二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通后，UD=0.3V穩(wěn)壓管是一種應(yīng)用很廣的特殊類型的二極管，工作區(qū)在反向擊穿區(qū)?？梢蕴峁┮粋€(gè)穩(wěn)定的電壓。使用時(shí)注意加限流電阻。晶體二極管基本用途是整流/穩(wěn)壓和限幅等。半導(dǎo)體光電器件分光敏器件和發(fā)光器件，可實(shí)現(xiàn)光