第4章半导体器件的基本特性1

1、第四章 半导体器件的基本特性4.14.24.3PN结及半导体二极管半导体晶体管半导体基础知识1. 1. PN PN 结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性l 重点：2.2. 二极管的分类二极管的分类、特性及应用特性及应用第四章 半导体器件的基本特性4.1 半导体基础知识p 本征半导体本征半导体p 杂质半导体杂质半导体 P P 型半导体型半导体 N N 型半导体型半导体4.1 半导体基础知识物质按照导电性能可分为： 导体：电阻率 10-4 cm 的物质。如银、铜、铝等金属材料。 绝缘体：电阻率 109 cm 的物质。如橡胶、塑料等。 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件

2、所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。单晶硅电池片单晶硅电池片Si 半导体晶片4.1 半导体基础知识4.1 半导体基础知识最外层电子称价电子价电子价电子价电子4价元素的原子常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。+4硅晶体共价键平面结构硅的原子结构图硅的原子结构图共共价价键键+4+4+4+4+4+4+4+4+4价价电电子子4.1.1 本征半导体p 本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。当温度T =0K 时，半导体不导电，如同绝缘体。p 本征激发：本征激发：本征半导体在热（或光照）作用下产生电子电子-空穴对空穴对的现象。空穴自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由

3、电子的定向移动形成电子电流电子电流；而价电子依次填补空穴，可视为空穴产生“定向移动”，形成空空穴电流穴电流。自由电子和空穴使本征半导体具有微弱的导电能力。本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，又成对地消失，称其为复合复合。4.1.1 本征半导体空穴自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4两种载流子两种载流子4.1.2 杂质半导体p 为了使本征半导体的导电能力增加，即增加两种载流子的浓度，我们通过扩散工艺人为的掺入少量的特定杂质，使其导电性能发生质的变化。 p 在本征半导体中掺入微量的杂质所形成的半导体称为杂质半导体杂质半导体。分为： P P 型半导体型半导体 N N 型半导体型半导体4

4、.1.2 杂质半导体p P P 型半导体型半导体在本征半导体中掺入少量的3 3价价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P P型半导体型半导体。+33价杂质原子接受自由电子形成空穴，称为受主原子受主原子。空穴空穴受主受主原子原子P型半导体中，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子4.1.2 杂质半导体p N N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N N型半导体型半导体。+55价杂质原子提供自由电子，称为施主原子施主原子。N型半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子自由电子自由电子施主施主原子原子4.2 PN结及半导体二极管p 结结在本征半导体上

5、一侧掺杂成为 型半导体，另一侧掺杂成为 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为称为 PN PN 结结。 结结PN结的形成是一个动态平衡过程4.2 PN结及半导体二极管p P P型和型和N N型半导体的接触现象型半导体的接触现象 扩散运动扩散运动由浓度差而产生的运动。由浓度差而产生的运动。 漂移运动漂移运动载流子在电场力作用下的运动。载流子在电场力作用下的运动。 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡4.2 PN结及半导体二极管p P P型和型和N N型半导体的接触现象型半导体的接触现象 扩散运动扩散运动多子由浓度差而产生的运动多子由浓度差而产生的运动4.2 PN结及半导体二极

6、管耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层p P P型和型和N N型半导体的接触现象型半导体的接触现象 扩散运动形成空间电荷区扩散运动形成空间电荷区 4.2 PN结及半导体二极管p P P型和型和N N型半导体的接触现象型半导体的接触现象空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区内电场阻止了多子的继续扩散阻挡层阻挡层内电场内电场阻挡层阻挡层4.2 PN结及半导体二极管p P P型和型和N N型半导体的接触现象型半导体的接触现象 漂移运动漂移运动 少子在电场力作用下的运动少子在电场力作用下的运动空间电荷区空间电荷区内电场内电场阻挡层阻挡层4.2

7、PN结及半导体二极管p P P型和型和N N型半导体的接触现象型半导体的接触现象 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。动态平衡时空间电荷区的宽度约为几 几十微米；电位壁垒的大小：硅材料（0.6V-0.8V0.6V-0.8V） 锗材料（0.2V-0.3V0.2V-0.3V）4.2 PN结及半导体二极管p P P型和型和N N型半导体的接触现象型半导体的接触现象4.2 PN结及半导体二极管p PNPN结外

8、加正向电压结外加正向电压空间电荷区外电场方向VRIn外电场与内电场方向相反耗尽区变窄，内电场削弱有利于扩散，扩散电流远大于漂移电流正向电流很大。内电场方向PNPN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN 结处于导通状态。4.2 PN结及半导体二极管死区死区电压电压60402000.51.0I / mAU / V 当正向电压比较小时，正向电流几当正向电压比较小时，正向电流几乎为零。这一电压叫乎为零。这一电压叫死区电压死区电压。 当正向电压超过一定值时，正向电当正向电压超过一定值时，正向电流开始快速增长。流开始快速增长。 开启电压开启电压与材料和温度有关，硅管与材料和温度有关，硅管约约

9、 0.5 0.5V V 左右，锗管约左右，锗管约 0.1 0.1V V 左右。左右。 随着电流增加，随着电流增加，PNPN结两端电压会继结两端电压会继续增大，但到一定程度后，随着电续增大，但到一定程度后，随着电流增加，两端电压的增幅就不大了，流增加，两端电压的增幅就不大了，此时此时PNPN结完全正向导通，此时的电结完全正向导通，此时的电压叫压叫导通电压导通电压。开启电压 导通电压：硅：0.6-0.8V锗：0.1-0.3V4.2 PN结及半导体二极管空间电荷区PN外电场方向内电场方向VRISn外电场与内电场方向相同耗尽区变宽，内电场增强阻止扩散运动，扩散电流和漂移电流均很小反向电流很小。当 PN

10、 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN 结处于截止状态截止状态。p PNPN结外加反向电压结外加反向电压4.2 PN结及半导体二极管击穿电压U U(BR)(BR)反向饱和电流反向饱和电流p 加反向电压，反向电流很小。硅管0.1A;锗管约为几十A。p 当反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。p 击穿并不意味PN结损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。p 雪崩击穿，齐纳击穿。4.2 PN结及半导体二极管604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特性击穿电压击穿电压U

11、 U(BR)(BR)在PN结的两端加上电压，测量流过PN结的电流，I=f(U)之间的关系曲线。反向特性反向特性击击穿穿特特性性p PNPN结的伏安特性结的伏安特性4.2 PN结及半导体二极管 势垒电容势垒电容：PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 扩散电容扩散电容：PN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导

12、电性度，则失去单向导电性！p PNPN结的电容效应结的电容效应4.2 PN结及半导体二极管 二极管的结构 二极管分类 二极管主要参数 二极管的应用p 半导体二极管半导体二极管4.2 PN结及半导体二极管点接触型点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。p 二极管的结构二极管的结构4.2 PN结及半导体二极管p 二极管的分类二极管的分类4.2 PN结及半导体二极管l 普通二极管(2AP19，2CP120)用于检波、鉴频、限幅；l 整流二

13、极管(2CZ11-2CZ27)用于不同功率的整流；l 开关二极管(2AK1-2AK4)用于计算机脉冲控制、开关电路l 稳压二极管(2CW1-2CW10)用于稳压电路l 发光二极管、光电二极管、变容二极管 普通二极管普通二极管稳压二极管稳压二极管发光二极管发光二极管光电二极管光电二极管p 二极管的分类二极管的分类4.2 PN结及半导体二极管变容二极管4.2 PN结及半导体二极管第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字表示器件电极的数目用汉语拼音字母表示器件的材料和极性用汉语拼音字母表示器件的类型 用数字用数字表示序号汉语拼音字母标示规格号符号意义符号意义符号意义2二极管AN型锗材料P普通管

14、BP型锗材料W稳压管CN型硅材料Z整流管DP型硅材料K开关管例 2AP9 表示为N型锗材料普通二极管，序号9p 二极管的命名方法二极管的命名方法4.2 PN结及半导体二极管二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。p 二极管的主要参数二极管的主要参数4.2 PN结及半导体二极管p 二极管的主要参数二极管的主要参数4.2 PN结及半导体二极管伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降 u 反向饱和电流 IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线4.2 PN结及半

15、导体二极管从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件非线性器件。p 二极管的主要参数二极管的主要参数4.2 PN结及半导体二极管 最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流 最大反向工作电压 UR 二极管长期运行时，允许的最大反向工作电压 反向击穿电压 UBR 二极管反向击穿时的电压值 反向电流 IR 二极管未击穿时的反向电流， IR 值愈小，二极管的单向导电性能越好。该值受温度影响很大。p 二极管的主要参数二极管的主要参数4.2 PN结及半导体二极管 最高工作频率 fM fM 值主要决定于PN 结结电容的大

16、小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。 二极管直流电阻 RD 加在加在二极管两端的直流电压和流过二极管的电流之比 二极管交流电阻 rd 二极管工作点附近电压与电流的微商。 rd 是非线性的，工作电流越大，其值越小。p 二极管的主要参数二极管的主要参数4.2 PN结及半导体二极管直流电阻：二极管两端直流电压与电流的比值。交流电阻：工作点附近电压与电流的微商。p 二极管的主要参数二极管的主要参数4.2 PN结及半导体二极管稳压二极管是利用PN结的反向击穿特性制作的半导体器件。二极管工作在反向击穿区，当反向电流在较大的范围内变化时，二极管两端的电压变化很小，也就是具备稳压性。p 稳压二极管稳

17、压二极管4.2 PN结及半导体二极管稳压二极管电路注意事项： 稳压二极管反向连接。 稳压二极管与负载并联 必须限制流过稳压管的电流IZ，否则会烧坏管子。RLp 稳压二极管稳压二极管4.2 PN结及半导体二极管当负载RL不变而电源电压Ui改变当 Ui UO IZ UR IR UO 当 Ui UO IZ UR IR UO RLp 稳压原理稳压原理4.2 PN结及半导体二极管当电压Ui不变而负载RL改变当 RL UO IZ UR IR UO 当 RL UO IZ UR IR UO RLp 稳压原理稳压原理4.2 PN结及半导体二极管p 稳压原理稳压原理4.2 PN结及半导体二极管 稳定电压 UZ 稳

18、压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。 稳定电流 IZ 稳压管正常工作的电流，太小无法稳压，太大会永久性击穿 动态电阻 rz 工作在稳压区时的动态电阻，rz 越小越好 额定功率 PZ 为防止稳压管发热损毁需限定稳压管的功率 电压温度系数 温度变化1度时所引起的稳压管电压变化的百分比p 稳压二极管参数稳压二极管参数4.2 PN结及半导体二极管利用PN结的空间电荷层具有电容特性的原理制成的特殊二极管，用于取代可变电容器。它的特点是结电容随加到管子上的反向电压大小而变化。在一定范围内，反向偏压越小，结电容越大；反之，反向电容偏压越大，结电容越小。变容二极管在电视机、收音机中多用于调谐电路和自动频率微调、滤波等电路中。p 变容二极管变容二极管4.2 PN结及半导体二极管 光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。 无光照时，有很小的反向饱和电流，此时光敏二极管截止。 当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，它