第4章半導(dǎo)體器件的基本特性1

1、第四章 半導(dǎo)體器件的基本特性4.14.24.3PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體晶體管半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1. 1. PN PN 結(jié)的形成及單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及單向?qū)щ娦詌 重點：2.2. 二極管的分類二極管的分類、特性及應(yīng)用特性及應(yīng)用第四章 半導(dǎo)體器件的基本特性4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識p 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體p 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 P P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識物質(zhì)按照導(dǎo)電性能可分為： 導(dǎo)體：電阻率 10-4 cm 的物質(zhì)。如銀、銅、鋁等金屬材料。 絕緣體：電阻率 109 cm 的物質(zhì)。如橡膠、塑料等。 半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件

2、所用的主要材料是硅(Si)和鍺(Ge)。單晶硅電池片單晶硅電池片Si 半導(dǎo)體晶片4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識最外層電子稱價電子價電子價電子價電子4價元素的原子常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4硅晶體共價鍵平面結(jié)構(gòu)硅的原子結(jié)構(gòu)圖硅的原子結(jié)構(gòu)圖共共價價鍵鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4價價電電子子4.1.1 本征半導(dǎo)體p 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。當(dāng)溫度T =0K 時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。p 本征激發(fā)：本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體在熱（或光照）作用下產(chǎn)生電子電子-空穴對空穴對的現(xiàn)象?？昭ㄗ杂呻娮?4+4+4+4+4+4+4+4+4自由

3、電子的定向移動形成電子電流電子電流；而價電子依次填補空穴，可視為空穴產(chǎn)生“定向移動”，形成空空穴電流穴電流。自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有微弱的導(dǎo)電能力。本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，又成對地消失，稱其為復(fù)合復(fù)合。4.1.1 本征半導(dǎo)體空穴自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4兩種載流子兩種載流子4.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體p 為了使本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增加，即增加兩種載流子的濃度，我們通過擴散工藝人為的摻入少量的特定雜質(zhì)，使其導(dǎo)電性能發(fā)生質(zhì)的變化。 p 在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。分為： P P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體4

4、.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體p P P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入少量的3 3價價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。+33價雜質(zhì)原子接受自由電子形成空穴，稱為受主原子受主原子?？昭昭ㄊ苤魇苤髟釉覲型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子4.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體p N N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。+55價雜質(zhì)原子提供自由電子，稱為施主原子施主原子。N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子自由電子自由電子施主施主原子原子4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p 結(jié)結(jié)在本征半導(dǎo)體上

5、一側(cè)摻雜成為 型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為 型半導(dǎo)體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為稱為 PN PN 結(jié)結(jié)。 結(jié)結(jié)PN結(jié)的形成是一個動態(tài)平衡過程4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p P P型和型和N N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象 擴散運動擴散運動由濃度差而產(chǎn)生的運動。由濃度差而產(chǎn)生的運動。 漂移運動漂移運動載流子在電場力作用下的運動。載流子在電場力作用下的運動。 擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散與漂移的動態(tài)平衡4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p P P型和型和N N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象 擴散運動擴散運動多子由濃度差而產(chǎn)生的運動多子由濃度差而產(chǎn)生的運動4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極

6、管耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)耗盡層耗盡層p P P型和型和N N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象 擴散運動形成空間電荷區(qū)擴散運動形成空間電荷區(qū) 4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p P P型和型和N N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象空間電荷區(qū)正負離子之間電位差空間電荷區(qū)正負離子之間電位差耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場阻止了多子的繼續(xù)擴散阻擋層阻擋層內(nèi)電場內(nèi)電場阻擋層阻擋層4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p P P型和型和N N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象 漂移運動漂移運動 少子在電場力作用下的運動少子在電場力作用下的運動空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場阻擋層阻擋層4.2

7、PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p P P型和型和N N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象 擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減?。浑S著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加；當(dāng)擴散電流與漂移電流相等時，PN 結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。動態(tài)平衡時空間電荷區(qū)的寬度約為幾 幾十微米；電位壁壘的大小：硅材料（0.6V-0.8V0.6V-0.8V） 鍺材料（0.2V-0.3V0.2V-0.3V）4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p P P型和型和N N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p PNPN結(jié)外

8、加正向電壓結(jié)外加正向電壓空間電荷區(qū)外電場方向VRIn外電場與內(nèi)電場方向相反耗盡區(qū)變窄，內(nèi)電場削弱有利于擴散，擴散電流遠大于漂移電流正向電流很大。內(nèi)電場方向PNPN 結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN 結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管死區(qū)死區(qū)電壓電壓60402000.51.0I / mAU / V 當(dāng)正向電壓比較小時，正向電流幾當(dāng)正向電壓比較小時，正向電流幾乎為零。這一電壓叫乎為零。這一電壓叫死區(qū)電壓死區(qū)電壓。 當(dāng)正向電壓超過一定值時，正向電當(dāng)正向電壓超過一定值時，正向電流開始快速增長。流開始快速增長。 開啟電壓開啟電壓與材料和溫度有關(guān)，硅管與材料和溫度有關(guān)，硅管約約

9、 0.5 0.5V V 左右，鍺管約左右，鍺管約 0.1 0.1V V 左右。左右。 隨著電流增加，隨著電流增加，PNPN結(jié)兩端電壓會繼結(jié)兩端電壓會繼續(xù)增大，但到一定程度后，隨著電續(xù)增大，但到一定程度后，隨著電流增加，兩端電壓的增幅就不大了，流增加，兩端電壓的增幅就不大了，此時此時PNPN結(jié)完全正向?qū)?，此時的電結(jié)完全正向?qū)?，此時的電壓叫壓叫導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓。開啟電壓 導(dǎo)通電壓：硅：0.6-0.8V鍺：0.1-0.3V4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管空間電荷區(qū)PN外電場方向內(nèi)電場方向VRISn外電場與內(nèi)電場方向相同耗盡區(qū)變寬，內(nèi)電場增強阻止擴散運動，擴散電流和漂移電流均很小反向電流很小。當(dāng) PN

10、 結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)。p PNPN結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管擊穿電壓U U(BR)(BR)反向飽和電流反向飽和電流p 加反向電壓，反向電流很小。硅管0.1A;鍺管約為幾十A。p 當(dāng)反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時，反向電流會突然增大；這種現(xiàn)象稱擊穿，對應(yīng)電壓叫反向擊穿電壓。p 擊穿并不意味PN結(jié)損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復(fù)正常。p 雪崩擊穿，齊納擊穿。4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓U

11、 U(BR)(BR)在PN結(jié)的兩端加上電壓，測量流過PN結(jié)的電流，I=f(U)之間的關(guān)系曲線。反向特性反向特性擊擊穿穿特特性性p PNPN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管 勢壘電容勢壘電容：PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。 擴散電容擴散電容：PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散過程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。結(jié)電容結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！若結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)?/p>

12、電性度，則失去單向?qū)щ娦裕 PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管 二極管的結(jié)構(gòu) 二極管分類 二極管主要參數(shù) 二極管的應(yīng)用p 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管點接觸型點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。p 二極管的結(jié)構(gòu)二極管的結(jié)構(gòu)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p 二極管的分類二極管的分類4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管l 普通二極管(2AP19，2CP120)用于檢波、鑒頻、限幅；l 整流二

13、極管(2CZ11-2CZ27)用于不同功率的整流；l 開關(guān)二極管(2AK1-2AK4)用于計算機脈沖控制、開關(guān)電路l 穩(wěn)壓二極管(2CW1-2CW10)用于穩(wěn)壓電路l 發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管 普通二極管普通二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管光電二極管光電二極管p 二極管的分類二極管的分類4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管變?nèi)荻O管4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用數(shù)字表示器件電極的數(shù)目用漢語拼音字母表示器件的材料和極性用漢語拼音字母表示器件的類型 用數(shù)字用數(shù)字表示序號漢語拼音字母標(biāo)示規(guī)格號符號意義符號意義符號意義2二極管AN型鍺材料P普通管

14、BP型鍺材料W穩(wěn)壓管CN型硅材料Z整流管DP型硅材料K開關(guān)管例 2AP9 表示為N型鍺材料普通二極管，序號9p 二極管的命名方法二極管的命名方法4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管二極管具有單向?qū)щ娦?。加正向電壓時導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。p 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降 u 反向飽和電流 IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線4.2 PN結(jié)及半

15、導(dǎo)體二極管從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件非線性器件。p 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管 最大整流電流 IF 二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流 最大反向工作電壓 UR 二極管長期運行時，允許的最大反向工作電壓 反向擊穿電壓 UBR 二極管反向擊穿時的電壓值 反向電流 IR 二極管未擊穿時的反向電流， IR 值愈小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?。該值受溫度影響很大。p 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管 最高工作頻率 fM fM 值主要決定于PN 結(jié)結(jié)電容的大

16、小。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。 二極管直流電阻 RD 加在加在二極管兩端的直流電壓和流過二極管的電流之比 二極管交流電阻 rd 二極管工作點附近電壓與電流的微商。 rd 是非線性的，工作電流越大，其值越小。p 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管直流電阻：二極管兩端直流電壓與電流的比值。交流電阻：工作點附近電壓與電流的微商。p 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)的反向擊穿特性制作的半導(dǎo)體器件。二極管工作在反向擊穿區(qū)，當(dāng)反向電流在較大的范圍內(nèi)變化時，二極管兩端的電壓變化很小，也就是具備穩(wěn)壓性。p 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)

17、壓二極管4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管穩(wěn)壓二極管電路注意事項： 穩(wěn)壓二極管反向連接。 穩(wěn)壓二極管與負載并聯(lián) 必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，否則會燒壞管子。RLp 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管當(dāng)負載RL不變而電源電壓Ui改變當(dāng) Ui UO IZ UR IR UO 當(dāng) Ui UO IZ UR IR UO RLp 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管當(dāng)電壓Ui不變而負載RL改變當(dāng) RL UO IZ UR IR UO 當(dāng) RL UO IZ UR IR UO RLp 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管p 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管 穩(wěn)定電壓 UZ 穩(wěn)

18、壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。 穩(wěn)定電流 IZ 穩(wěn)壓管正常工作的電流，太小無法穩(wěn)壓，太大會永久性擊穿 動態(tài)電阻 rz 工作在穩(wěn)壓區(qū)時的動態(tài)電阻，rz 越小越好 額定功率 PZ 為防止穩(wěn)壓管發(fā)熱損毀需限定穩(wěn)壓管的功率 電壓溫度系數(shù) 溫度變化1度時所引起的穩(wěn)壓管電壓變化的百分比p 穩(wěn)壓二極管參數(shù)穩(wěn)壓二極管參數(shù)4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管利用PN結(jié)的空間電荷層具有電容特性的原理制成的特殊二極管，用于取代可變電容器。它的特點是結(jié)電容隨加到管子上的反向電壓大小而變化。在一定范圍內(nèi)，反向偏壓越小，結(jié)電容越大；反之，反向電容偏壓越大，結(jié)電容越小。變?nèi)荻O管在電視機、收音機中多用于調(diào)諧電路和自動頻率微調(diào)、濾波等電路中。p 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管4.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管 光敏二極管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。 無光照時，有很小的反向飽和電流，此時光敏二極管截止。 當(dāng)受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，它