电工与电子技术第7章 半导体器件

1、1237.1 半导体的导电特性半导体的导电特性47.1.1 本征半导体本征半导体完全纯净、具有晶体结构的半导体完全纯净、具有晶体结构的半导体最常用的半导体为硅最常用的半导体为硅(SiSi)和锗和锗(GeGe)。它们的共同特征是它们的共同特征是四价元素四价元素，每个原子最外，每个原子最外层电子数为层电子数为 4 4 。+ + +SiSiGeGe5共价键共价键本征半导体本征半导体晶体中的共价健结构：晶体中的共价健结构：每个原子与每个原子与相邻的四个相邻的四个原子结合。原子结合。每个原子的一个价电子与每个原子的一个价电子与相邻原子的一个价电子组相邻原子的一个价电子组成一电子对，由相邻原子成一电子对，

2、由相邻原子共有，构成共有，构成共价键共价键结构。结构。6共价键共价键价电子价电子共共价价键键价电子价电子自由电子自由电子和和空穴空穴同时同时产生产生半导体导电方式半导体导电方式激发激发自由电子自由电子温增温增/光照光照外加电压外加电压电子电流电子电流离开离开剩空穴剩空穴（原子带（原子带正电）正电）外加电压外加电压吸引相邻原吸引相邻原子价电子填子价电子填补空穴补空穴好像好像空穴空穴在运在运动动空穴电流空穴电流与金与金属导属导电的电的区别区别硅原子硅原子自由自由电子电子7硅原子硅原子半导体中的半导体中的自由电子自由电子和和空穴空穴都能参与导电都能参与导电半导体具有两种载流子。半导体具有两种载流子。

3、共价键共价键价电子价电子小结小结本征半导体中的自由电子和本征半导体中的自由电子和空穴总是空穴总是成对出现成对出现，同时又，同时又不断进行复合。在一定温度不断进行复合。在一定温度下，载流子的产生与复合会下，载流子的产生与复合会达到达到动态平衡动态平衡。温度愈高，。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性载流子数目就愈多，导电性能就愈好能就愈好温度对半导体温度对半导体器件性能影响很大器件性能影响很大87.1.2 杂质半导体杂质半导体在常温下，本征半导体的两种载流子数量在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。还是极少的，其导电能力相当低。如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，如果在

4、半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到将得到掺杂半导体掺杂半导体，而，而掺杂半导体的导电掺杂半导体的导电能力将大大提高。能力将大大提高。由于掺入杂质元素的不同，由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体掺杂半导体可可分为分为两大类两大类NN型半导体和型半导体和 P P型半导体型半导体91. N N型半导体型半导体当在硅或锗的晶体中掺入微量磷当在硅或锗的晶体中掺入微量磷( (或其它五价元或其它五价元素素) )时，磷原子与周围四个硅原子形成共价键后，时，磷原子与周围四个硅原子形成共价键后，磷原子的外层电子数将是磷原子的外层电子数将是 9 9 ，比稳定结构多一，比稳定结构多一个价电子。个价电子。P+SiSiS

5、iSiSiSiSiPSiSiSiSi多余多余电子电子101. N N型半导体型半导体掺入掺入磷磷杂质的硅半导体晶体中，杂质的硅半导体晶体中，自由电子自由电子的数目的数目大量增加。大量增加。这种半导体主要靠自由电子导电这种半导体主要靠自由电子导电，称称之为电子半导体或之为电子半导体或N N型半导体型半导体。在在N N型半导体中型半导体中电子电子是多数载流子、是多数载流子、空穴空穴是少是少数载流子。数载流子。室温情况下，本征硅中载流子有室温情况下，本征硅中载流子有1.51.5 10101010个个/cm/cm3 3，当磷掺杂量在，当磷掺杂量在101066量级时，电子载流量级时，电子载流子数目将增加

6、几十万倍。子数目将增加几十万倍。11当在硅或锗的晶体中掺入微量硼当在硅或锗的晶体中掺入微量硼( (或其它三价或其它三价元素元素) )时，硼原子与周围的四个硅原子形成共时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼原子的外层电子数将是价键后，硼原子的外层电子数将是 7 7 ，比稳，比稳定结构少一个价电子。定结构少一个价电子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴空穴2. P P型半导体型半导体12综上所述，由于掺入杂质的不同，产生了综上所述，由于掺入杂质的不同，产生了N N型半导型半导体和体和P P型半导体。杂质半导体中载流子的浓度远大型半导体。杂质半导体中载流子的浓度远大于本征半

7、导体中载流子的浓度，于本征半导体中载流子的浓度，虽然它们都有一种虽然它们都有一种载流子占多数，载流子占多数，但整个半导体晶体仍是但整个半导体晶体仍是电中性电中性的的。掺掺硼硼半导体中，半导体中，空穴空穴数目远大于数目远大于自由电子自由电子数目。数目。主要靠空穴导电主要靠空穴导电,称为称为空穴半导体空穴半导体或或P型半导体型半导体。 空穴空穴为多数载流子，为多数载流子，自由电子自由电子是少数载流子。是少数载流子。因为载流子带正电或负电，原子则相反带负因为载流子带正电或负电，原子则相反带负电或带正电，整个晶体不带电。电或带正电，整个晶体不带电。1314多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的

8、漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使空扩散的结果使空间电荷区变宽。间电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区15PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+16+17 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+1819阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接

9、触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D20反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+212223定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，24例例1：D6V12V3k BAUAB+25例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+26V sin18itu t 27UZIZIZM UZ IZ_+UIO2

10、87.4.1 伏安特性伏安特性U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向稳压管正常工作于稳压管正常工作于反向击穿区反向击穿区，常见电路如下：常见电路如下：U iRU oR L在电路中稳压管是在电路中稳压管是反向联接反向联接的。的。当当U i大于稳压管的击穿电压时，稳大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿（压管被击穿（在一定的电流范围内可逆），电流将增大，电阻），电流将增大，电阻R两端两端的电压增大，稳压管两端的电压基的电压增大，稳压管两端的电压基本不变，输出电压本不变，输出电压U o等于等于U z 。291 1、稳定电压稳定电压Uz 指稳压管正常工作时的

11、端电压指稳压管正常工作时的端电压。 同一型号稳压管同一型号稳压管UZ 也不一定相等。也不一定相等。2 2、稳定电流稳定电流IZ 正常工作的参考电流值。正常工作的参考电流值。 每种型号稳压管都规定有一个每种型号稳压管都规定有一个最大稳定电流最大稳定电流IZM，超过它，易，超过它，易发生热击穿（不可逆），稳压发生热击穿（不可逆），稳压管损毁管损毁, ,I IZIZM。U(V)0I (mA)反向正向UZIZ7.4.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数303 3、电压温度系数、电压温度系数 U U说明说明稳压值受温度影响的参数，越小越好稳压值受温度影响的参数，越小越好。如：稳压管如：稳压管2CW182

12、CW18的电压温度系数为的电压温度系数为0.095% / 0.095% / C C 假如在假如在20 20 C C时的稳压值为时的稳压值为11V11V，当温度升高到，当温度升高到50 50 C C时的稳压值将为时的稳压值将为V3 .1111)2050(100095. 011特别说明：特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。稳压管的电压温度系数有正负之别。0V6UV6U0V6UUZUZUZ很小因此选用因此选用6V6V左右的左右的稳压管，具有较好稳压管，具有较好的温度稳定性。的温度稳定性。7.4.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数314 4、动态电阻、动态电阻rZ 稳压管子端电压和通过其电流的

13、变化量之稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比。比。稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压效果越好。动态电阻越小，稳压效果越好。U(V)0I (mA)反向正向UZIZZZZIUr IZmIZUZ5 5、最大允许耗散功耗、最大允许耗散功耗PZM 保证稳压管不发生热击穿的最保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。大功率损耗。其值为稳定电压和允许的最大其值为稳定电压和允许的最大电流乘积电流乘积ZMZZMIUP7.4.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数32例例电路如图，通过稳压管的电流电路如图，通过稳压管的电流I IZ Z等于多少？等于多少？解：解：UR=2

14、0-12=8VIZ=IR=8/1.6=5mA18mA若若R1=12k，I1=? IZ=？RL=12kI1=？I1=UZ/RL=12/12=1mAIZ=IR-I1=5-1=4mA+20VIZR=1.6kUz=12VIZM=18mA+DZ-IR33NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC3435EEBRBRCBEC+ +- -BEC- -+ +3637BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO38ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略39 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线40共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路ICEBmA AVUCEUBERBIBEC