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§ 1 半导体的基本知识
§ 1.1 PN结导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体,半导体器件中用的最多的是硅和锗。
半导体 的特点:
当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。
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§ 1.1.1 本征半导体一、本征半导体的结构特点
Ge Si
通过一定的工艺过程,可以将半导体制成 晶体 。
现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。
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本征半导体 —— 化学成分纯净的半导体 。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%,常称为,九个 9”。
它在物理结构上呈单晶体形态 。
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硅和锗的共价键结构共价键共用电子对
+4 +4
+4 +4
+4表示除去价电子后的原子
5
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为 自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。
形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。
共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。
+4 +4
+4 +4
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二、本征半导体的导电机理在绝对 0度 ( T=0K) 和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即 载流子 ),它的导电能力为 0,相当于绝缘体。
在常温下,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为 自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为 空穴 。
1.载流子、自由电子和空穴这一现象称为 本征激发,也称 热激发 。
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可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为 电子空穴对 。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去,称为 复合,如图所示。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
本征激发和复合的过程
8
2.本征半导体的导电机理
+4 +4
+4 +4
在其它力的作用下,
空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,
而空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流子。
本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子 和 空穴 。
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温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
本征半导体中电流由两部分组成:
1,自由电子移动产生的电流。
2,空穴移动产生的电流。
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§ 1.1.2 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
P 型半导体,空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。
N 型半导体,自由电子浓度大大增加的杂质半导体,
也称为(电子半导体)。
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一,N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,
其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,
必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,
很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为 施主原子 。
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+4 +4
+5 +4
多余电子磷原子
N 型半导体中的载流子是什么?
1、由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。
2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为 多数载流子 ( 多子 ),空穴称为 少数载流子 ( 少子 )。
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二,P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼
(或铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形成共价键时,
产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补,
使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子,所以称为受主原子 。
+4 +4
+3 +4
空穴硼原子
P 型半导体中空穴是多子,电子是少子 。
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三、杂质半导体的示意表示法
























P 型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N 型半导体杂质 型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子 。
近似认为多子与杂质浓度相等。
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§ 1.1.3 PN结一,PN 结的形成在同一片半导体基片上,分别制造 P 型半导体和 N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了 PN 结。
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P型半导体
























N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。
内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。
空间电荷区,
也称耗尽层。
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漂移运动
P型半导体
























N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动内电场 E
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,
相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。
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+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
空间电荷区
N型区P型区电位 V V0
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1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍 P中的空穴,N区中的电子( 都是多子 )向对方运动( 扩散运动 )。
3,P 区中的电子和 N区中的空穴( 都是少 ),
数量有限,因此由它们形成的电流很小。
注意,
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二,PN结的单向导电性
PN 结 加上正向电压,正向偏置 的意思都是,P 区加正,N 区加负电压。
PN 结 加上反向电压,反向偏置 的意思都是,P区加负,N 区加正电压。
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+
+
+
+
R E
1,PN 结正向偏置内电场外电场变薄
P N
+ _
内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。
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2,PN 结反向偏置




+
+
+
+
内电场外电场变厚
NP +
_
内电场被被加强,多子的扩散受抑制。少子漂移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反向电流。
R E
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PN结加正向电压时,呈现低电阻,
具有较大的正向扩散电流;
PN结加反向电压时,呈现高电阻,
具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论,PN结具有单向导电性。
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3 PN结方程其中
i D / mA
1,0
0,5
– 0,5– 1,0 0,50 1,0? D /V
PN结的伏安特性
i D = – I S
0
)1( /SD D TVveIi
IS —— 反向饱和电流
VT —— 温度的电压当量且在常温下( T=300K)
V026.0 qkTV T
mV 26?
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三,PN结的反向击穿当 PN结的反向电压增加到一定数值时,反向电流突然快速增加,
此现象称为 PN结的 反向击穿。
i
D
O
V
BR
D
热击穿 —— 不可逆雪崩击穿齐纳击穿
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四,PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定。
一是势垒电容 CB,
二是扩散电容 CD 。
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1 势垒电容 CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。
当外加电压使 PN结上压降发生变化时,离子薄层的厚度也相应地随之改变,这相当 PN结中存储的电荷量也随之变化,犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。
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扩散电容是由多子扩散后,在 PN结的另一侧面积累而形成的。因 PN结正偏时,由 N区扩散到 P区的电子,与外电源提供的空穴相复合,形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠 PN结的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲线。
2 扩散电容 CD
反之,由 P区扩散到 N区的空穴,在 N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如下页所示。
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扩散电容示意图当外加正向电压不同时,扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以 PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同,这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。
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§ 2 半导体二极管
PN 结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。
引线 外壳线触丝线基片点接触型
PN结面接触型
P N二极管的电路符号:
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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:
32
半导体二极管图片
33
34
35
§ 2.1 伏安特性
U
I
死区电压 硅管
0.5V,锗管 0.1V。
导通压降,
硅管 0.6~0.8V,
锗管 0.1~0.3V。
反向击穿电压 UBR
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§ 2.2 二极管的等效电路
1,理想模型 3,折线模型2,恒压降模型
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4,小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时,
其正向特性可以等效成一个微变电阻。
D
D
d i
vr
即 )1( /
SD D TVveIi
根据得 Q点处的微变电导
Qdv
dig
D
D
d? Q
Vv
T
Te
V
I /S D?
TV
ID?
d
d
1
gr?
则常温下( T=300K)
)mA(
)mV(26
DD
d II
Vr T
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§ 2.3 主要参数
1,最大整流电流 IOM
二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。
2,反向击穿电压 UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压 UWRM一般是 UBR的一半。
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3,反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向导电性差,因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响,温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数,二极管的应用是主要利用它的单向导电性,主要应用于整流、限幅、
保护等等。下面介绍两个交流参数。
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4,微变电阻 rD
iD
uD
ID
UD
Q?i
D
uD
rD 是二极管特性曲线上工作点 Q 附近电压的变化与电流的变化之比:
D
D
D i
u
r
显然,rD是对 Q附近的微小变化区域内的电阻。
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二极管,死区电压 =0,5V,正向压降?0.7V(硅二极管 )
理想二极管,死区电压 =0,正向压降 =0
RLui uo
ui
uo
t
t
二极管的应用举例 二极管半波整流
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§ 2.4 稳压二极管
U
I
IZ
IZmax?UZ
IZ
稳压误差曲线越陡,
电压越稳定。+
-
UZ
动态电阻:
Z
Z
I
U
Zr?

rz越小,稳压性能越好。
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( 4) 稳定电流 IZ,最大、最小稳定电流 Izmax,Izmin。
( 5)最大允许功耗
m a xZZZM IUP?
稳压二极管的参数,
( 1) 稳定电压 UZ
( 2) 电压温度系数?U( %/℃ )
稳压值受温度变化影响的的系数。
( 3)动态电阻
Z
Z
I
U
Zr?

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稳压二极管的应用举例
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
5m A
20m A,V,10
m i n
m a x

z
zzW
I
IU
稳压管的技术参数,
k10LR负载电阻 。 要求 当输入电压由正常值发生?20%波动时,负载电压基本不变。
解:令输入电压达到上限时,流过稳压管的电流为 Izmax 。
求,电阻 R和输入电压 ui 的正常值。
mA25m a x
L
ZW
z R
UIi
102521 RUiRu,zWi —— 方程 1
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令输入电压降到下限时,流过稳压管的电流为 Izmin 。
mA10m i n
L
ZW
z R
UIi
101080 RUiRu,zWi —— 方程 2
uoi
ZDZ
R
iLi
ui RL
联立方程 1,2,可解得:
k50V7518,R,.u i
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稳压二极管在工作时应反接,并串入一只电阻。
电阻的作用一是起限流作用,以保护稳压管;其次是当输入电压或负载电流变化时,通过该电阻上电压降的变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压作用。
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光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。
I
U
照度增加
48
发光二极管有正向电流流过时,发出一定波长范围的光,目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光,它的电特性与一般二极管类似。