第14章半導(dǎo)體器件

半導(dǎo)體的特性1本征半導(dǎo)體2雜質(zhì)半導(dǎo)體3第14章半導(dǎo)體器件14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性能力目標(biāo)情感目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解半導(dǎo)體的概念

2.掌握半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性3.掌握本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的區(qū)別1.培養(yǎng)學(xué)生善于觀察的能力。2.培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、歸納總結(jié)能力。1.培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。2.增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的信心。教學(xué)目標(biāo)本征激發(fā)與雜質(zhì)半導(dǎo)體重點(diǎn)難點(diǎn)兩種載流子重點(diǎn)/難點(diǎn)

自然界中的物質(zhì)，按其導(dǎo)電能力可分為三大類(lèi)：

導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體材料：硅，鍺獨(dú)特的導(dǎo)電特性1.熱敏性：T2.光敏性：光照

3.摻雜性：摻入微量元素導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力+14

硅原子結(jié)構(gòu)

+4簡(jiǎn)化模型完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體4價(jià)元素

4

4

4

4

4

4晶體結(jié)構(gòu)——純凈半導(dǎo)體原子排列整齊共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)——兩個(gè)相鄰原子共有一對(duì)價(jià)電子,價(jià)電子受相鄰原子核的束縛,處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。共價(jià)鍵共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4受熱或光照后，某些價(jià)電子掙脫束縛成為自由電子。本征激發(fā)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4本征激發(fā)顯然，自由電子帶負(fù)電，可以參與導(dǎo)電，稱(chēng)為載流子共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4自由電子共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4自由電子空穴本征激發(fā)兩種載流子：

自由電子空穴

成對(duì)出現(xiàn)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4電子電流——電場(chǎng)作用下，自由電子的定向移動(dòng)。自由電子電場(chǎng)電子電流共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4實(shí)質(zhì)上是電子遞補(bǔ)空穴電流空穴電流——電場(chǎng)作用下，電子依次遞補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)。電場(chǎng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

4

4

4

4

4

4電場(chǎng)空穴電流電子電流兩種載流子導(dǎo)電，是半導(dǎo)體導(dǎo)電的重要特征，也是其與金屬導(dǎo)體在導(dǎo)電機(jī)理上的本質(zhì)區(qū)別。

一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，于是，載流子維持一定數(shù)目。具有了一定的導(dǎo)電能力。可是室溫下，半導(dǎo)體由于本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子很少，所以導(dǎo)電能力很弱，半導(dǎo)體沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，實(shí)際應(yīng)用的為雜質(zhì)半導(dǎo)體。課外思考題空穴帶電嗎？本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)目應(yīng)該是______？本征半導(dǎo)體帶電嗎？在本征半導(dǎo)體中，電子濃度和空穴濃度相等嗎？

1、本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少。

2、半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。

3、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。

4、半導(dǎo)體是不帶電的。

5、在本征半導(dǎo)體中，電子濃度和空穴濃度是相等的。總結(jié)雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體——摻入5價(jià)元素

P型半導(dǎo)體——摻入3價(jià)元素雜質(zhì)半導(dǎo)體——在本征半導(dǎo)體中摻入適量的雜質(zhì)元素(非半導(dǎo)體元素)。5價(jià)元素——磷、砷等。3價(jià)元素——硼、鎵、銦等。N型半導(dǎo)體

4

4

4

4

4

5+5

多一個(gè)價(jià)電子摻雜N型半導(dǎo)體

4

4

4

4

4

5多子-------電子少子-------空穴+5

摻雜本征激發(fā)

4N型半導(dǎo)體示意圖電子正離子P型半導(dǎo)體

4

4

4

4

4

3多一個(gè)空穴+3

摻雜多子-------空穴少子-------電子P型半導(dǎo)體

4

4

4

4

4

3+3

P型半導(dǎo)體示意圖負(fù)離子空穴摻雜本征激發(fā)

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)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(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba課堂練習(xí)

1.在N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。在P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。

2.雜質(zhì)離子雖然帶電荷，但不能移動(dòng)。

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體中雖然有一種載流子占多數(shù)，但整個(gè)半導(dǎo)體仍呈電中性。

4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要取決于多子濃度，多子濃度主要取決于摻雜濃度。少子濃度主要與本征激發(fā)有關(guān)。

5.少子主要有本征激發(fā)產(chǎn)生，因此少子對(duì)溫度敏感，其大小隨溫度的升高而增大?？偨Y(jié)1.PN結(jié)的形成

在一塊完整的本征硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，在這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的交界面附近就會(huì)形成一個(gè)具有特殊性質(zhì)的薄層（正離子或負(fù)離子的區(qū)域），這個(gè)特殊的薄層就是PN結(jié)14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)的形成

N區(qū)P區(qū)負(fù)離子空穴正離子電子正負(fù)電荷中和，不帶電空間電荷區(qū)（耗盡層）內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)——濃度差造成運(yùn)動(dòng)。復(fù)合——自由電子填補(bǔ)空穴，兩者同時(shí)消失的現(xiàn)象。漂移運(yùn)動(dòng)——載流子在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)。多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移運(yùn)動(dòng)暴露了失去電子的正離子暴露了失去空穴的負(fù)離子

第二節(jié)PN結(jié)空間電荷區(qū)（耗盡層）內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)濃度差→多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→復(fù)合→產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)→阻礙多子擴(kuò)散→有利少子漂移運(yùn)動(dòng)→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡→形成一定寬度PN結(jié)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移運(yùn)動(dòng)PN結(jié)

PNPN結(jié):

P區(qū)和N區(qū)交界面處形成的區(qū)域空間電荷區(qū):

區(qū)內(nèi)只剩離子,帶電耗盡層:

區(qū)內(nèi)載流子少名稱(chēng)內(nèi)電場(chǎng)電位差約為零點(diǎn)幾伏寬度為幾微米~到幾十微米外加正向電壓——導(dǎo)通外加反向電壓——截止P接“+”N接“-”P(pán)接“-”N接“+”2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦詢?nèi)電場(chǎng)RE外電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)ID外加正向電壓外電場(chǎng)抵削內(nèi)電場(chǎng),有利于多子的擴(kuò)散很大限流,防止電流太大PN結(jié)多子中和部分離子,使空間電荷區(qū)變窄REP區(qū)N區(qū)I反外加反向電壓外電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng),有利于少子的漂移很小PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)少子背離PN結(jié)移動(dòng)，,空間電荷區(qū)變寬理想狀態(tài)下，我們忽略反向電流，認(rèn)為PN結(jié)正向偏置導(dǎo)通，反向偏置截止——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)的擊穿特性

反向擊穿——當(dāng)加于PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定值時(shí)，PN結(jié)的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為反向擊穿。電擊穿——若反向電壓下降到擊穿電壓以下后，其性能可恢復(fù)到原有情況，即這種擊穿是可逆的，稱(chēng)為電擊穿。熱擊穿——若反向擊穿電流過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)結(jié)溫過(guò)高而燒壞，這種擊穿是不可逆的，稱(chēng)為熱擊穿。討論題

反向擊穿后，PN結(jié)就損壞了嗎？陽(yáng)極陰極+-符號(hào)3.分類(lèi)：按材料硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型1.構(gòu)成：2.符號(hào)：PN二極管的實(shí)質(zhì)是PN結(jié)，所以它一定具有單向?qū)щ娦?4.3

半導(dǎo)體二極管14.3.1基本結(jié)構(gòu)點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型pNP型支持襯底14.3.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。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Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。14.3.3主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆睿琁RM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管電路分析舉例

定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽(yáng)

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽(yáng)

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開(kāi)。ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開(kāi)路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫(huà)出uo

波形。8V例1：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開(kāi)關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取i18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––電路如圖，求：UAB

V陽(yáng)

=－6VV陰=－12VV陽(yáng)>V陰二極管導(dǎo)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(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例2：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。V1陽(yáng)

=－6V，V2陽(yáng)=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例3:D1承受反向電壓為－6V流過(guò)D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–14.4

穩(wěn)壓二極管1.符號(hào)

UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3)動(dòng)態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU照度增加符號(hào)發(fā)光二極管有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的光，它的電特性與一般二極管類(lèi)似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管14.5

半導(dǎo)體三極管14.5.1基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大以NPN型三極管為例討論圖三極管中的兩個(gè)PN結(jié)cNNPebbec表面看三極管若實(shí)現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來(lái)保證。不具備放大作用14.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏

PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱(chēng)為晶體管的電流放大作用。

實(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化.3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE與IBE之比稱(chēng)為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE014.5.3特性曲線即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計(jì)性能良好的電路重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路測(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

，也稱(chēng)為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時(shí)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時(shí)，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。14.5.4主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱(chēng)為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。例：在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點(diǎn)IB=60A,IC=2.3mA。在以