1、第一章 常用半导体器件, 1.1 半导体基础知识1.2 PN结1.3 半导体二极管1.4 特殊二极管稳压管1.5 半导体三极管1.6 场效应管,1.1 半导体基础知识,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。,常用的半导体材料： （1）元素半导体： 硅14(Si)、锗32(Ge)； （2）化合物半导体：砷化镓(GaAs)。,一、半导体的导电特性,热敏性：半导体受热时，其导电能力增强。利用这种特性，有些对温度反应特别灵敏的半导体可做成热电传感器,光敏性：半导体光照时，其导电能力增强。利用这种特性，有些对光特别敏感的半导体可做成各种光敏元件。,掺杂特性：在纯净的半导体材料中，掺杂微量
2、杂质，其导电能力大大增强。（可增加几十万至几百万倍）,二、半导体的分类,半导体,P型半导体 (空穴型）,杂质半导体,N型半导体（电子型）,本征半导体,常用的半导体有单原子，也有化合物的，我们常见的半导体材料为单原子中的硅(Si)和锗(Ge)。,价电子,本征半导体：对半导体提纯，使之成为单晶体结构，这种纯净的晶体叫本征半导体。,三、半导体的结构及导电方式,共价键结构每个价电子为两个相邻原子核所共有。,本征激发在室温下，少数价电子因热激发而获得足够的能量，因而脱离共价键的束缚成为自由电子。同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”。,自由电子数=空穴数,自由电子和空穴统称为载流子,如果在本征半
3、导体两端外加一电场，则：,导电方式：,电子电流,空穴电流,自由电子在电场的作用下定向移动形成电子电流,共价健中的价电子在外电场的力的作用下挣脱共 价键的束缚，沿与外电场方向相反方向填补空 穴，就好像空穴沿与外电场方向相同的方向作定向运动，形成电流，这个电流称为空穴电流。,本征半导体中有两种载流子，分别为自由电子和空穴。在电场的作用下两种载流子分别形成电子电流和空穴电流，它们电流方向一致。它们的电流和称为半导体的电流。,结论：,本征半导体中电流的大小取决于自由电子和空穴的数量，数量越多，电流越大。而当光照和加热时，载流子的数量都会增加，这也说明了光敏性和热敏性。,四、杂质半导体,本征半导体的导电
4、能力是很弱的，如果在本征半导体中掺入微量的其它元素就会使半导体的导电性能发生显著变化。,杂质一些微量元素的原子 杂质半导体掺入杂质的半导体 杂质半导体分类N型半导体、P型半导体,N型半导体（电子型半导体）,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷，锑，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。,热激发产生的自由电子,掺杂磷产生的自由电子,杂质原子提供电子，故称为施主原子,掺杂磷产生的自由电子数热激发产生的自由电子数,N型半导体中自由电子数空穴数,自由电子为 N型半导体的多数载流子（多子）， 空穴为N型半导体的少数载流子（少子）,空间电荷,多子,简化图：,P型半导体（空穴型半导体）,往本征半导体中
5、掺杂三价杂质，如硼，形成的杂质半导体。,热激发产生的空穴,掺杂硼产生的空位,杂质原子因能吸收电子，故称为受主原子,掺杂硼产生的空穴数热激发产生的空穴数,P型半导体中空穴数自由电子数,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。,简化图：,半导体,本征半导体,杂质半导体,本征激发,自由电子,空穴,载流子,N型,P型,自由电子（多子）,空穴（少子）,自由电子（少子）,空穴（多子）,掺杂,热激发,复习,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响。,一些典型的数据如下: T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n = p =1.41010/cm3 掺杂后 N 型
6、半导体中的自由电子浓度: n= 51016/cm3 本征硅的原子浓度:4.921022/cm3 以上两个浓度基本上依次相差106/cm3,1、在杂质半导体中，多子主要由杂质原子提供，少子是本征激发而产生的。,2、半导体的电流基本上是多子的电流。,3、少子对温度非常敏感；而多子的浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以受温度影响不大。,小结：,1.2 PN结,一、PN结的形成,内电场,P,N,因浓度差,多子产生扩散运动,形成空间电荷区,形成内电场 (NP),阻止多子扩散,促使少子漂移,动态平衡,形成PN结,P,N,二、PN结的特性单向导电性,规定：P区接电源正，N区接电源负为PN结加正向电压N区接电源
7、正，P区接电源负为PN结加反向电压,1、PN结加正向电压时的导电情况,PN结加正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。其理想模型：开关闭合,内电场,外电场,2、 PN结加反向电压时的导电情况,内电场,外电场,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。,内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流是
8、少子形成的电流，故反向电流非常小，PN结呈现高阻性。,其理想模型：开关断开,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流,且和温度有关。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流,电流方向由P指向N；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,结论：,1、N型半导体带负电，P型半导体带正电。这种说法是否正确？,2、N型半导体的多子是（），P型半导体的多子是（）。,3、PN结中扩散电流的方向是从（
9、）区指向（ ）区，漂移电流的方向是（ ）区指向（ ）区。,4、 PN结外加正向电压时（ ）电流大于（ ）电流，此时耗尽层变（ ）。,错误，均呈中性,电子,空穴,N,P,N,P,扩散,漂移,窄,思考题,1.3 半导体二极管(Diode),半导体二极管是由PN结加上引出线和管壳构成的。,分类：,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,半导体二极管的类型,一、半导体二极管的结构类型,二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类，它们的结构示意图如图所示。,1、 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于高频小电流电路。,2、面接触型二极管,PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。,3、平面型二
10、极管,往往用于集成电路制造工艺中。 结面积大，则用于大功率整流。 结面积小，则用于高频、脉冲 和开关电路中。,二极管的符号,二、二极管的伏安特性,半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,U/V,根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示,式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降，UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。,1、正向特性,当U0即处于正向特性区域，正向区又分为两段：,当0UUth时，正向电流为零，U
11、th称为死区电压，管子截止,当UUth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。管子导通,硅二极管的死区电压约为：Uth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压约为：Uth=0.1 V左右。,2、反向特性,当U0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。这个特性也称反向击穿特性。,从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|UBR|4V时, 则主要是齐纳击穿。当在4V-7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。,
12、齐纳击穿高掺杂下，耗尽层的宽度很小，较小的反向电压就可以形成很强的电场，把价电子从共价键中“拉出来”，产生电子、空穴对，引起电流急剧增加。,雪崩击穿反向电压增加时，耗尽层中的电场也加强，使少子在漂移过程中受到更大的加速，可能在与共价键中的价电子相碰撞时把价电子“撞”出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、孔穴被电场加速后又可能“撞”出其它的价电子。引起了电流的急剧增加。,三、半导体二极管的主要参数, 最大整流电流IF, 最大反向工作电压URM, 最大反向工作电流IRM,指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,二极管允许承受的最大反向电压,在室温下，二极管未击穿时的反向电流,由于电流通过PN结，使得管子发热，电流达到一定程度，管子因过热而烧坏。,反向特性曲线下移，即反向电流增大。,一般在室温附近，温度每升高1，其正向压降减小2-2.5mV；温度每升高10，反向电流大约增大1倍左右。,四、半导体二极管的温度特性,五、 半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,
