半导体基础知识PPT课件

1、第一章 半导体二极管 半导体基础知识 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场 作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈 现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质 (如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆 脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为 绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体

2、那样极易 摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原 子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导 体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层 轨道上有四个价电子。为便于讨论, 采用图 1- 所示的简 化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个 原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面 围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的 轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到 相邻原子核

3、的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中, 每个原子都和周围的个原子 用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图 - 所示。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 4 图 1 1 硅和锗简化原子 结构模型 4 共 价 键 价 电 子 44 444 444 图 1 2 本征半导体共价键晶体结构示意图 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 4 4 4 4 4 4 4 4 4 自由 电子 空穴 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其 中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然 在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1-所 示。 图 1 3

4、 本征半导体中的自由电子和空穴 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电 的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中, 自由电 子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相 等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度, 即 ni=pi, 下标i表示为本征半导体。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同 时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子 的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一 定的。本征半导体中载流子的浓度, 除了

5、与半导体材料本 身的性质有关以外, 还与温度有关, 而且随着温度的升高, 基本上按指数规律增加。因此, 半导体载流子浓度对温度 十分敏感。对于硅材料, 大约温度每升高, 本征载流 子浓度ni增加 1 倍；对于锗材料, 大约温度每升高, 增加 1 倍。 除此之外, 半导体载流子浓度还与光照有 关, 人们正是利用此特性, 制成光敏器件。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 1. 型半导体型半导体 在本征半导体中, 掺入微量价元素, 如磷、锑、砷等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质 原子的最外层有个价电子, 因此它与周围个硅(锗)原子 组成

6、共价键时, 还多余 1 个价电子。 它不受共价键的束缚, 而只受自身原子核的束缚, 因此, 它只要得到较少的能量就能 成为自由电子, 并留下带正电的杂质离子, 它不能参与导电, 如图-所示。显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于 空穴的浓度, 即nnpn(下标表示是型半导体), 主要靠电 子导电, 所以称为型半导体。由于价杂质原子可提供自 由电子, 故称为施主杂质。型半导体中, 自由电子称为多数 载流子；空穴称为少数载流子。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 444 454 444 键外 电子 施主 原子 图 1 - 4 N型半导体共价键结构 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 2.

7、P型半导体型半导体 在本征半导体中, 掺入微量价元素, 如硼、镓、铟等, 则 原来晶格中的某些硅 (锗)原子被杂质原子 代替。 444 444 444 空位 受主 原子 图 1 5 P型半导体的共价键结构 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 P型半导体中空穴是多数载流子，主 要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由 热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成 为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂 质。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 一、 PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形 成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体 的结合面上形成如下物理过程

8、: 因浓度差 多子的扩散运动由由杂质离子杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内 电 场 阻 止 多 子 扩 散 1.1.3 结结 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。 图16 PN结的形成过程 PN 结形成的过程 可参阅图 1 6 。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 二、 PN结的单向导电性 如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正 偏； PN结具有单向

9、导电性，若外加电压使电流从P区流到 N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电 流小。 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 (1) PN结加正向电压时的导电情况 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。 PN结加正向电压时的导电情况如图17所示。 图17 PN结加正向电压 时的导电情况 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 (2) PN结加反向电压时的导电情

10、况 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，PN结呈现高阻性。 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如图18所示。 图 18 PN结加反向电压时 的导电情况 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 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

11、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 。 图 19 PN结加反向电压时 的导电情况 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.2 半导体的特性及主要参数半导体的特性及主要参数 1.2.1 1.2.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。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110所示。 PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。 PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。 往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关

12、电路中。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P型硅 N型硅 (c) 平面型 金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线 外壳 (a) 点接触型 铝合金小球 N型硅 阳极引线 PN结 金锑合金 底座 阴极引线 (b) 面接触型 阴极阳极 (d) 符号 图图 1 10 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.2.21.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性 10 8 6 4 2 12 0.8 0.4 84 00.40.81.2 60 20 90 90 20 60 I / mA U / V 80 60 40 20

13、 20 10 200 100 50 20 75 75 50 I / mA U / V 20 300 300200 100 (a) 2AP22(锗管)的伏安特性曲线(b) 2CP10 20(锗管)的伏安特性曲线 01 图 1 11 二极管的伏安特性曲线 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 (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，Uth称 为死区电压或开启电压；当UUth时，开始出现正向 电流，并按指数规律增长。 硅二极管的死区电压Uth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Uth=0.1 V左右。 实际电路中二极管导通时的正向压降 ，硅管的

14、约 为. V, 锗管的约为. V。通 常取硅管on0.7V，锗管on0.2V。 (2) 反向特性：二极管加反向电压, 反向电流数值很 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 (3) 二极管的温度特性：二极管的特性对温度很 敏感, 温度升高, 正向特性曲线向左移, 反向特性曲线 向下移。 其规律是：在室温附近, 在同一电流下, 温 度每升高, 正向压降减小.V；温度每 升高, 反向电流约增大 1 倍。 小, 且基本不变, 称反向饱和电流。硅管反向饱和电流 为纳安()数量级, 锗管的为微安数量级。当反向电 压加到一定值时, 反向电流急剧增加, 产生击穿。普通 二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反

15、压管可达 几千伏)。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.2.31.2.3二极管的击穿特性二极管的击穿特性 当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急 剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为 PN结的反向击穿。有两种解释： 雪崩击穿：当反向电压足够高时（U6V）PN结中内电场 较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使 之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形 成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。 齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄， 只要加入不大的反向电压（U4V），耗尽层可获得很大 的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多 的

16、电子空穴对，使反向电流骤增。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.2.41.2.4二极管的主要参数二极管的主要参数 1、 最大整流电流。它是二极管允许通过的最大 正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于, 如超 过, 二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、 材料和散热情况。 2、 最大反向工作电压。这是二极管允许的最大 工作电压。当反向电压超过此值时, 二极管可能被击穿。 为了留有余地, 通常取击穿电压的一半作为。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 3、 反向电流。指二极管未击穿时的反向电流 值。此值越小, 二极管的单向导电性越好。由于反向电 流是由少数载流子形成, 所以值受温度的

17、影响很大。 4、最高工作频率。的值主要取决于 结结电容的大小, 结电容越大, 则二极管允许的最高工 作频率越低。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.3 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法 线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰 当的元件进行等效，建立相应的模型。 （1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏 时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。 （2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后， 其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。 该模型提供了合理的近似，用途广泛。注意：二极管电流 近似等于或大于1mA正确。 第一章 半导体二极管

18、半导体基础知识 （3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管 压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型 中用一个电池和电阻 rD来作进一步的近似，此电池的电 压选定为二极管的门坎电压Uth，约为0.5V，rD的值为200 欧。由于二极管的分散性，Uth、rD的值不是固定的。 （4）小信号模型：如果二极管在它的V-I特性的某一 小范围内工作，例如静态工作点Q（此时有uD=UD、iD=ID） 附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数 就是所求的小信号模型的微变电阻rd。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.4.1 稳压二极管稳压二极管 (b)符号 U I O U (a)

19、伏安特性 I VDz 图 1 - 12 稳压管伏安特性和符号 1.4 特殊二极管特殊二极管 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 UI UO R RL IL Iz IR VDz 图 1 -17 稳压管电路 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1. 稳定电压稳定电压Uz 稳定电压是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作 电压。由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化, 因 而测试Uz时应使稳压管的电流为规定值。稳定电压是 根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压 管, 其稳定电压值不同。同一型号的管子, 由于制造工艺 的分散性, 各个管子的值也有差别。例如稳压管 DW7C, 其.1.V,

20、表明均为合格产品, 其稳定 值有的管子是.V, 有的可能是.V等等, 但这并不意 味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 2. 稳定电流稳定电流Iz 稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流, 低于 此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大 于此值。一般情况是, 工作电流较大时, 稳压性能较好。 但电流要受管子功耗的限制, 即 Iz max=Pz/Uz。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 3. 电压温度系数电压温度系数 指稳压管温度变化时, 所引起的稳定电压变化 的百分比。一般情况下, 稳定电压大于V的稳压管, 为 正值, 即当温度升高时,

21、 稳定电压值增大。如CW, 10.5V, .%/, 说明当温度升高 时, 稳定电压增大0.09%。而稳定电压小于V的稳压管, 为负值, 即当温度升高时, 稳定电压值减小, 如CW11, .V,(.%.%), 若.%, 表明当温度升高时, 稳定电压 减小0.05%。稳定电压在V间的稳压管, 其值较小, 稳定电压值受温度影响较小, 性能比较稳定。 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 4. 动态电阻动态电阻rz 是稳压管工作在稳压区时, 两端电压变化量与 电流变化量之比, 即。值越小, 则 稳压性能越好。同一稳压管,一般工作电流越大时, 值越小。 通常手册上给出的值是在规定的稳定电 流之下测得的。

22、 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 5. 额定功耗额定功耗Pz 由于稳压管两端的电压值为,而管子中又流过一定的 电流, 因此要消耗一定的功率。这部分功耗转化为热能, 会 使稳压管发热。取决于稳压管允许的温升。 1.4.2光电二极管光电二极管 1. 发光二极管 图 1 - 13 发光二极管符号 2. 光敏二极管 图 1 - 14 光电二极管符号 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1.5 半导体二极管特性珠测试与应用半导体二极管特性珠测试与应用 1.5.1半导体器件型号命名方法半导体器件型号命名方法 一、半导体器件的型号由五个部分组成一、半导体器件的型号由五个部分组成 二、的型号组成部分的符号及其意义（见教材二、的型号组成部分的符号及其意义（见教材P18表）表） 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 附：二极管的应用附：二极管的应用 二极管的运用基础, 就是二极管的单向导电特性, 因此, 在应用电路中, 关键是判断二极管的导通或截止。 二极管导通时一般用电压源.V(硅管, 如是锗 管用.V)代替, 或近似用短路线代替。截止时, 一般 将二极管断开, 即认为二极管反向电阻为无穷大。 二极管的整流电路放在第八章直流电源中讨论。 1.5.2半导体二极管参数选录（见教材半导体二极管参数选录（见教材P19） 第一章 半导体二极管 半导体基础知识 1. 限幅电路限幅电路 当输入