电子技术应用第一章半导体技术应用

1、电子技术应用第一章半导体技术应用第一章 半导体二极管和三极管 10 半导体器件的种类及发展Diode and Diode Circuits 12 PN结及其单向导电性 13 半导体二极管 14 稳压管 15 半导体三极管 11 半导体的基本知识 1-0 半导体器件的种类及发展、种类二极管 （Diode）三极管 （BJT）集成电路（IC） Integrated Circuit场效应管（MOSFET）1)1906年电子管发明（进入电子时代）、发展2)1948年晶体管问世（半导体器件）3)60年代集成电路出现(进入信息时代)(1) 第一代电子器件电子管（真空管）1906年，福雷斯特（Lee De F

2、ordst）等发明，可实现整流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。(2) 第二代电子器件晶体管（半导体三极管）1948年，肖克利（W.Shckly）等发明。比真空管的体积更小，重量更轻，功耗更低，在许多领域已经取代了真空管。(3) 第三代电子器件集成电路(IC)1958年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一起，三年后，集成电路实现了商品化。 1-1 半导体的基本知识导体绝缘体半导体（Semiconductor）导体、绝缘体、半导体很容易传导电流的物质，如：铜、铝等几

3、乎不能传导电流的物质，如：塑料、橡胶等其导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗以及大多数金属氧化物和硫化物特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等有些半导体对温度的反映特别灵敏，环境温度增高时，它的导电能力要增强很多，利用该特性可作成热敏元件、半导体温度传感器等；有些半导体（如硫化镉）受到光照时，它的导电能力变得很强，当无光照时，有变得象绝缘体那样不导电，利用该特性作成了各种光电元件、光敏元件；如果在纯净的半导体中渗入微量的某种杂质后，它的导电能力增加十万倍乃至几百万倍。利用该特性就作成了各种不同用途的半导体器件。半导体材料受到了人们

4、的特别的重视半导体为何有如此悬殊的导电特性呢？一、本征半导体(Intrinsic Semiconductor) 纯净无掺杂的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。原子核价电子硅、锗材料具有晶体结构，所以半导体又称为晶体，这就是晶体管名称的由来。本征半导体是指完全纯净的，具有晶体结构的半导体。Si，Ge均为4价元素。 (1)共价键(covalent bond)结构空间排列有序的晶体(crystal)硅原子(Si) (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图SiSiSiSi（2）本征激发a）绝对零度，无外界激发时，不存在自由电子，相当于

5、绝缘体；b）T 或受光激发等，共价键中价电子挣脱束缚为自由电子，具有导电功能 本无光照、热激发绝缘本导电光、热激发温度对半导体器件性能影响很大价电子受到热或光的激励(共价键的价电子被束缚，较稳定)时，有少量价电子能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在原来的位置上留下一个空位称为空穴。 (3) 空穴和自由电子的形成SiSiSiSi自由电子空穴空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动。空穴带正电自由电子SiSiSiSiSiSiSiSiSi空穴空穴和自由电子总是成对出现的空穴电流电子电流半导体中同时存在着电子导电和空穴导电在一定温度下，载流子（自由电子和空穴）的产生和复合达

6、到动态平衡，维持一定数目。自由电子和空穴称为载流子（Carrier)(运载电流的粒子)。本征半导体中，自由电子和空穴成对产生，不断复合，(recombination)整个半导体对外呈电中性，不显示电性。 温度越高，载流子的数目就越多，导电性能也就越好。本征半导体特点：电子浓度=空穴浓度载流子少，导电性差，温度稳定性差！ 杂质半导体(Extrinsic Semiconductor)在本征半导体中掺入某些少量杂质，使其导电能力 大大增加。二、N型半导体和P型半导体1、N型半导体(N-type semiconductor) 当磷原子给出了多余价电子后，磷原子本身失去电子而成为正离子。但在产生自由电子

7、的同时，并不产生空穴，这不同于本征半导体。PSiSiSi+自由电子数远大于空穴数这样的一种半导体将以自由电子导电为主，所以自由电子称为多数载流子（简称多子），而空穴称为少数载流子（简称少子）。这种在本征半导体中掺入微量五价元素，使自由电子浓度大大增加的半导体称为N型半导体（或称电子半导体）。2、P型半导体（空穴半导体）(P-type semiconductor)在本征半导体中掺入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形

8、成了空穴。BSiSiSi 但在产生空穴的同时并不产生新的自由电子，只是原来的硅晶体本身仍会产生少量的电子空穴对。此时空穴数远大于自由电子数，在这种半导体中以空穴导电为主，称空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。同时称这种在本征半导体中掺入微量三价元素，使空穴浓度大大增加 的半导体为P型半导体（空穴半导体）。杂质对半导体导电性的影响载流子数目剧增！ T=300 K室温下,本征硅的 电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的 自由电子浓度: n=51016/c

9、m3一、 PN结的形成 1-2 PN 结及其单向导电性PN N型半导体中有较多的自由电子， 代表失去一个电子的磷离子，带正电。+P型半导体中有较多的空穴， 代表得到一个电子的硼离子。随着P 型区大批空穴扩散到N区与电子复合,N区大批电子扩散到P区中与空穴复合,使交界面附近只留下不能移动的正负电荷。正负电荷相互作用，形成一个电场，方向N区指向P区,由于这个电场不是外加电压形成的，故称为内电场(built-in potential barrier) 。内电场PN 这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷,它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区(Space charge regio

10、n ) ， 这就是PN结。空间电荷区在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了,因此空间电荷区有时又称为耗尽层(Depletion layer)。它的电阻率很高，扩散越强，空间电荷区越宽。内电场PN在内电场作用下，多子扩散(Diffusion)受阻，而这个电场有利于N区的少数载流子空穴向P区漂移(Drift)、P区的少数载流子电子向N区漂移运动，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反，当扩散和漂移作用相互抵消时，便达到动态平衡。复合阻止多子扩散，增强少子漂移 PN结（耗尽层，空间电荷区）结合（浓度差）多子扩散内电场 动态平衡两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结两种运动：

11、扩散Diffusion漂移Drift（浓度差）（电场力） 浓度差 多子扩散 空间电荷区 (杂质离子) 内电场 促少子 阻多子 漂移 扩散 动态平衡PN结形成过程：二、PN结的单向导电性PN结的基本特性单向导电性只有在外加电压时 才显示出来1、外加正向电压P 接电源正极，N接电源负极。 正方向接法：PN结处导通状态，导通时呈低阻 PN内电场方向外电场方向 (1) PN结正偏(UPUN )时外加的正向电压削弱了内电场。导通PN结呈现低阻性, IF大 2、外加反向电压N区接E 正， P接负反向电压：PN结处于截止状态，截止时呈高阻本征激发产生的少子受温度影响很大，故温度对反向电流影响很大。PN内电场

12、方向外电场方向 (2) PN结反偏(UP0)存在死区电压硅：Uth=0.5 V Threshold锗：Uth=0.15 V 阈限2)反向(U0，则D导通；反之D截止。+4V若E=4V，求Uo=？ 故D截止，Uo= 2V 例3+解+-若将E改为ui，求uo+例4解将两个二极管全部断开，求开路电压求输出电压UoD1D2+9V3V6V+9V3V6V+U1U2例5解+9V3V6V+U1U2+9V3V6V+U1+9V3V6V+U1求F的电位VF，二极管的正向电位降忽略A端电位比B端电位高，DA优先导通，则当 DA导通时， DB上所加为反向电压截止例6解iou1uaTbDRLuobu1uaTDRLuo例7

13、解+将光信号转换为电信号的器件，常用于光的测量，或做光电池。光电二极管图A将电信号转换为光信号的器件，常用于显示，或做光纤传输中的光发射端。发光二极管（LED） 图B (light-emitting diode) 发射相干单色光的特殊发光二极管。主要用于小功率光电设备，如光驱、激光打印头等。激光二极管1.正确理解PN结。2.熟练掌握器件（二极管)的外特性、主要参数。3.正确理解模型分析法及典型应用。4.会查阅电子器件手册。 基本要求THE END作业：1.1 1.2 稳压管是一种特殊的半导体硅二极管，在电路中能起稳定电压的作用，故称为稳压管。 1-4 稳 压 管U/VI/mAIZMIZIZUZ

14、UZ一、主要参数1、稳定电压UZ2、稳定电流IZ稳压管的稳定电流只是一个作为依据的参考值，但对每一个稳压管，都规定一个最大稳定电流 IZmax。稳压管在正常工作下管子两端的电压。U/VI/mAIZMIZIZUZUZ3、电压温度系数 稳压值受温度变化影响的系数4、动态电阻rzrz越小，稳压管反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值U/VI/mAIZMIZIZUZUZ5、最大允许耗散功率PZM为管子不发生损坏时的最大功率损耗反向电流通过PN结，产生功率损耗，T限流电阻已知UZ=5V， UD=0.6V，求Uo=？U=10V；U=10V；U=4V当U=10V时，稳

15、压管反向击穿， Uo= UZ=5V当U=10V时,稳压管正向导通,UO=UD=0.6V当U=4V时，稳压管反向截止，UO= 4V例解 U=10V； U=-10V； U=4V已知UZ=5V， UD=0.6V，求UO=？UO= UZ + UD =5.6V例解当U=10V时，设C点电位为零UO=-UZ -UD =-5.6V当U=-10V时，设B点电位为零UO= 4V 当U=4V时，设C点电位为零求UO(a)(b)Dz1稳压值6VDz2稳压值10V正向压降0.7V解例(a)RURU(b)+-+-U=20V电阻R的选择范围：为保证流过稳压管电流不超过其最大允许电流，稳压管在使用时，在电路中必须加限流电阻

16、。注意RLILUIRIRIZ+-Uo+- 1-5 半 导 体 三 极 管Bipolar Junction Transistor(BJT) 1.5.1 基本结构 1.5.2 放大原理 1.5.3 特性曲线 1.5.4 主要参数 1.5.5 半导体三极管型号 1.5.6 小结三极管又称为晶体管高频管按频率分低频管按功率分大功率管中功率管小功率管NPN型按结构分PNP型按材料分硅管锗管 硅晶体管多为NPN型（3D系列） 锗晶体管多为PNP型（3A系列）1.5.1 基本结构1、NPN型发射结(Je)集电结(Jc)基区发射区集电区e(Emitter) 发射极b(Base） 基极c(Collector)集

17、电极它由两个PN结的三层半导体制成的，中间是一块很薄的P型半导体（几微米几十微米），两边各为一块N型半导体。发射区与基区交界处的PN结称为发射结基区不但很薄，而且掺杂浓度低；发射区的掺杂浓度远高于集电区，集电极和发射极不能互换。两个PN结集电区与基区交界处的PN结称为集电结2、PNP型发射结(Je)集电结(Jc)基区发射区集电区e(Emitter) 发射极b(Base） 基极c(Collector)集电极符号*Je箭头: P NBCEBCETNPN型BCEBCETPNP型一、放大条件二、内部载流子传输过程三、电流分配关系 放大原理四、放大作用一、放大条件外部条件内部条件Je正偏Jc反偏电位关系

18、三区结构与掺杂NPN：VC VB VEPNP：VC VB VE 发射区向基区注入载流子； 基区则是传送和控制载流子； 集电区是收集载流子的。 把晶体管接成两个回路，即基极电路和集电极电路。 以发射极为公共端，这种接法称为晶体管的共发射极接法。 BCERBEBRCECNNP二、内部载流子传输过程发射结加正向电压，集电结加反向电压。 （1）发射区向基区扩散电子BCERBEBRCECNNP（2）电子在基区的扩散和复合BCERBEBRCECNNP基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流扩散和复合同时进行，电流放大取决于两者的比例希望扩散 复合，因此基区很薄，掺杂浓度小（3）集电区收集扩散过来的电子BCE

19、RBEBRCECNNPBCERBEBRCECNNP 根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移电流。这部分电流决定于少数载流子浓度，称为反向饱和电流ICBO三、电流分配关系(Current Relationship)IB(mA)00.020.040.060.080.10Ic (mA)0.0010.71.52.303.103.95IE (mA)IB 晶体管的IB有很小变化时， IC变化很大，这就是晶体管的电流放大作用。发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置注意表示电流放大能力，电流放大系数。 IB(mA)00.020.040

20、.060.080.10Ic (mA)0.0010.71.52.303.103.95IE (mA)VB，VCVB，VEVC(b) VEVB ， VC VC(c)VB VE， VB VC02年选择题 (a)(c)03年选择题 输出电压的最大值？ 1、电流放大系数1.5.4 主要参数一、直流参数2、反向饱和电流ICBO当发射极开路时，由于集电结处于反偏，集电区和基区中的少数载流子的漂移运动所形成的电流。ICBO受温度的影响较大。在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管的ICBO在1A以下。NPNICBOIE=03、穿透电流ICEO当基极开路时，由于集电结处于反偏，发射结处于正偏时的集电极电流，也称穿透电流。由于ICBO受温度影响很大，ICBO愈大、 愈高的管子，稳定性愈差。ICEONPNICEOIB=0在估算时 认为二、交流参数1、电流放大系数2、特征频率fT当 下降到1时所对应的频率1、 集电极最大允许电流ICM IC超过一定值时，晶体管的值要下降，当值下降到正常值的2/3时的IC称为集电极最大允许电流 ICM ，当电流 ICM时，管子性能在显著下降的同时，还可能损坏管子。三、极限参数ICM，U(BR)CEO，PCM（决定三极管的工作区域）2、反向击穿电压（U(BR)XXO）(1