第4章半導體器件的基本特性1

1、第四章 半導體器件的基本特性4.14.24.3PN結及半導體二極管半導體晶體管半導體基礎知識1. 1. PN PN 結的形成及單向導電性結的形成及單向導電性l 重點：2.2. 二極管的分類二極管的分類、特性及應用特性及應用第四章 半導體器件的基本特性4.1 半導體基礎知識p 本征半導體本征半導體p 雜質半導體雜質半導體 P P 型半導體型半導體 N N 型半導體型半導體4.1 半導體基礎知識物質按照導電性能可分為： 導體：電阻率 10-4 cm 的物質。如銀、銅、鋁等金屬材料。 絕緣體：電阻率 109 cm 的物質。如橡膠、塑料等。 半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質。大多數(shù)半導體器件

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 半導體晶片4.1 半導體基礎知識4.1 半導體基礎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構硅的原子結構圖硅的原子結構圖共共價價鍵鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4價價電電子子4.1.1 本征半導體p 本征半導體：本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。當溫度T =0K 時，半導體不導電，如同絕緣體。p 本征激發(fā)：本征激發(fā)：本征半導體在熱（或光照）作用下產生電子電子-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體具有微弱的導電能力。本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，又成對地消失，稱其為復合復合。4.1.1 本征半導體空穴自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4兩種載流子兩種載流子4.1.2 雜質半導體p 為了使本征半導體的導電能力增加，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，使其導電性能發(fā)生質的變化。 p 在本征半導體中摻入微量的雜質所形成的半導體稱為雜質半導體雜質半導體。分為： P P 型半導體型半導體 N N 型半導體型半導體4

4、.1.2 雜質半導體p P P 型半導體型半導體在本征半導體中摻入少量的3 3價價雜質元素，如硼、鎵、銦等，即構成 P P型半導體型半導體。+33價雜質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 雜質半導體p N N 型半導體型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質元素，如磷、銻、砷等，即構成 N N型半導體型半導體。+55價雜質原子提供自由電子，稱為施主原子施主原子。N型半導體中，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結及半導體二極管p 結結在本征半導體上

5、一側摻雜成為 型半導體，另一側摻雜成為 型半導體，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 結結。 結結PN結的形成是一個動態(tài)平衡過程4.2 PN結及半導體二極管p P P型和型和N N型半導體的接觸現(xiàn)象型半導體的接觸現(xiàn)象 擴散運動擴散運動由濃度差而產生的運動。由濃度差而產生的運動。 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結及半導體二極管p P P型和型和N N型半導體的接觸現(xiàn)象型半導體的接觸現(xiàn)象 擴散運動擴散運動多子由濃度差而產生的運動多子由濃度差而產生的運動4.2 PN結及半導體二極

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型半導體的接觸現(xiàn)象型半導體的接觸現(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結及半導體二極管p P P型和型和N N型半導體的接觸現(xiàn)象型半導體的接觸現(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)內電場阻止了多子的繼續(xù)擴散阻擋層阻擋層內電場內電場阻擋層阻擋層4.2 PN結及半導體二極管p P P型和型和N N型半導體的接觸現(xiàn)象型半導體的接觸現(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)內電場內電場阻擋層阻擋層4.2

7、PN結及半導體二極管p P P型和型和N N型半導體的接觸現(xiàn)象型半導體的接觸現(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著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，PN 結總的電流等于零，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?。汗璨牧希?.6V-0.8V0.6V-0.8V） 鍺材料（0.2V-0.3V0.2V-0.3V）4.2 PN結及半導體二極管p P P型和型和N N型半導體的接觸現(xiàn)象型半導體的接觸現(xiàn)象4.2 PN結及半導體二極管p PNPN結外

8、加正向電壓結外加正向電壓空間電荷區(qū)外電場方向VRIn外電場與內電場方向相反耗盡區(qū)變窄，內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。內電場方向PNPN 結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流，PN 結處于導通狀態(tài)。4.2 PN結及半導體二極管死區(qū)死區(qū)電壓電壓60402000.51.0I / mAU / V 當正向電壓比較小時，正向電流幾當正向電壓比較小時，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。 當正向電壓超過一定值時，正向電當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，硅管與材料和溫度有關，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結兩端電壓會繼結兩端電壓會繼續(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結完全正向導通，此時的電結完全正向導通，此時的電壓叫壓叫導通電壓導通電壓。開啟電壓 導通電壓：硅：0.6-0.8V鍺：0.1-0.3V4.2 PN結及半導體二極管空間電荷區(qū)PN外電場方向內電場方向VRISn外電場與內電場方向相同耗盡區(qū)變寬，內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 PN

10、 結反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN 結處于截止狀態(tài)截止狀態(tài)。p PNPN結外加反向電壓結外加反向電壓4.2 PN結及半導體二極管擊穿電壓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，對應電壓叫反向擊穿電壓。p 擊穿并不意味PN結損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復正常。p 雪崩擊穿，齊納擊穿。4.2 PN結及半導體二極管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結的兩端加上電壓，測量流過PN結的電流，I=f(U)之間的關系曲線。反向特性反向特性擊擊穿穿特特性性p PNPN結的伏安特性結的伏安特性4.2 PN結及半導體二極管 勢壘電容勢壘電容：PN結外加電壓變化時，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。結電容結電容： 結電容不是常量！若結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定程結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導

12、電性度，則失去單向導電性！p PNPN結的電容效應結的電容效應4.2 PN結及半導體二極管 二極管的結構 二極管分類 二極管主要參數(shù) 二極管的應用p 半導體二極管半導體二極管4.2 PN結及半導體二極管點接觸型點接觸型：結面積小，結電容小，故結允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型面接觸型：結面積大，結電容大，故結允許的電流大，最高工作頻率低。平面型平面型：結面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結允許的電流大。p 二極管的結構二極管的結構4.2 PN結及半導體二極管p 二極管的分類二極管的分類4.2 PN結及半導體二極管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 開關二極管(2AK1-2AK4)用于計算機脈沖控制、開關電路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、變容二極管 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結及半導體二極管變容二極管4.2 PN結及半導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結及半導體二極管二極管具有單向導電性。加正向電壓時導通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關斷開。p 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)4.2 PN結及半導體二極管p 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)4.2 PN結及半導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結及半

15、導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系，其內阻不是常數(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結及半導體二極管 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，二極管的單向導電性能越好。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結及半導體二極管 最高工作頻率 fM fM 值主要決定于PN 結結電容的大

16、小。結電容愈大，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結及半導體二極管直流電阻：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結及半導體二極管穩(wěn)壓二極管是利用PN結的反向擊穿特性制作的半導體器件。二極管工作在反向擊穿區(qū)，當反向電流在較大的范圍內變化時，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結及半導體二極管穩(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結及半導體二極管當負載RL不變而電源電壓Ui改變當 Ui UO IZ UR IR UO 當 Ui UO IZ UR IR UO RLp 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理4.2 PN結及半導體二極管當電壓Ui不變而負載RL改變當 RL UO IZ UR IR UO 當 RL UO IZ UR IR UO RLp 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理4.2 PN結及半導體二極管p 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理4.2 PN結及半導體二極管 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結及半導體二極管利用PN結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。它的特點是結電容隨加到管子上的反向電壓大小而變化。在一定范圍內，反向偏壓越小，結電容越大；反之，反向電容偏壓越大，結電容越小。變容二極管在電視機、收音機中多用于調諧電路和自動頻率微調、濾波等電路中。p 變容二極管變容二極管4.2 PN結及半導體二極管 光敏二極管是將光信號變成電信號的半導體器件。 無光照時，有很小的反向飽和電流，此時光敏二極管截止。 當受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，它