半导体导电特性与基本知识

1、半导体导电特性与基本知识导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。14.1 半导体的导电特性及基本知识半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。半导体导电特性与基本知识 本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电

2、子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。半导体导电特性与基本知识本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：+4+4+4+4硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子半导体导电特性与基本知识共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本

3、征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共 价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴半导体导电特性与基本知识+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共 价键的束缚，成为自由

4、电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。自由电子和空穴都称为载流子半导体导电特性与基本知识2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。半导体导电特性

5、与基本知识 杂质半导体-N 型半导体和P 型半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体： 空穴浓度大大增加，主要载流子为空穴的杂质半导体，也称为 （空穴半导体）。N 型半导体： 自由电子浓度大大增加，主要载流子为电子的杂质半导体，也称 为（电子半导体）。Positive-type semiconductor (P-type semiconductor)Negative-type semiconductor (N-type semiconductor) 在本征半导体中掺入 杂质后，导致载流子数目剧增，相应的

6、导电能力就大大增强。半导体导电特性与基本知识+4+4P+4多余电子磷原子N 型半导体中的载流子是什么？1.由掺杂的施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。一、N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个

7、磷原子给出一个电子，称为施主原子。P磷原子半导体导电特性与基本知识二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4B+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。B硼原子半导体导电特性与基本知识三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓

8、度相等。半导体导电特性与基本知识P型半导体N型半导体+14.1.3 PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。半导体导电特性与基本知识P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。 在半导体中由于浓度差别，多数载流子（多子）从浓度高向浓度低的区域移动，称扩散运动；形成扩散电流。少数载流子（少子）在内电场作用下，有规则的运动称为漂移运动；形成漂移电流。半导体导电特性与基本知识漂移运动P型半

9、导体N型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。半导体导电特性与基本知识+空间电荷区N型区P型区电位VV01.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P 中的空穴，N 区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P 区中的电子和N 区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。（漂移运动）注意:半导体导电特性与基本知识一、PN 结正向偏置内电场外电场+REPN+_内电场被削弱，扩散飘移，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流(正向电流）。2. PN结的单向导电性 空间电荷区变薄正向电

10、流PN 结处于导通状态PN 结正向偏置的意思是： P 区加正、N 区加负电压。 只允许一个方向的电流通过。形成正向电流，称正向导通。半导体导电特性与基本知识二、PN 结反向偏置+内电场外电场NP+_内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE空间电荷区变厚PN 结处于截止状态反向电流PN 结反向偏置的意思是： P 区加负、N 区加正电压。 反向电流极小，称反向截止。半导体导电特性与基本知识内电场外电场+REPN+_3. PN结的电容效应 空间电荷区变薄半导体导电特性与基本知识 半导体二极管14.2.1 基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二

11、极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：PN半导体导电特性与基本知识 14.2.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.2。反向击穿电压UBR伏安特性曲线正向电流反向电流反向饱和电流段反向饱和电流与反向电压高低无关。 当正向电压超过一定的数值后，削弱内电场的作用，电流急剧增长，这时的电压称死区电压。当外加反向电压超过某一值时，反向电流突然增大，称为反向击穿，这时的电压称反向击穿电压： 。反向击穿电压电击穿热击穿电击穿可恢复，用作稳压管（烧毁）半导体导电特性与基本知识14.2.3 主要参数1. 最大整流电流 IF

12、数值上fM主要决定于PN结电容的大小。因为结电容限制了fM 。2. 最大反向工作(峰值)电压UR与反向击穿电压UBR UR是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作峰值电压UWRM一般是UBR的一半。3. 反向电流 IR 指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护

13、等等。4. 最高工作频率 fM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。半导体导电特性与基本知识1. 静态电阻RD与动态（微变)电阻 rdiDuD RD是二极管的正向电压与正向电流静态工作点Q处之比：显然，rd是对Q附近的微小变化区域内的电阻。14.3.4 二极管的等效电路模型 rd是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：IUIFUFQUSRUSUFIF+-+-半导体导电特性与基本知识idud2. 理想二极管的 电路模型IUIFUFQUS0UDID伏安特性ID导通截止开关特性二极管大信号 电路模型0IDUDUDUD理想4. 二极管微变信号 电路模型（动态模型）ud

14、rdiD二极管：死区电压=0 .5V，正向 压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0，反向电流0。半导体导电特性与基本知识二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例例1 二极管半波整流RDEuiuo4半导体导电特性与基本知识按电路图，求VY 。YABR-12VDADB0V+3V解：由于A端电位比B端高， A端电压降较高，故DA抢先导通，若管正向压降为0.3V，则DA起钳位作用；DB起隔离作用。此时Y端电位比B端高, DB 处反向偏置，截止；例2半导体导电特性与基本知识u

15、oRRLuiuRDC+-tuitpt1t20RC微分电路如图(a), 输入电压为方波如图(b), 试画出输出电压uo的波形。 设uC(0) = 0。tuc0ucuRuot0t0t0uDuD补充例题半导体导电特性与基本知识如图所示，E=1V， R=2k，UD，RUiUoUDEUR当 Ui 分别为 0V，3V, 12V时，求 UO 和ID ？RUiUoEURUD解：设二极管截止（开路）时，开路电压UD ，则由于开路， ID=0, UR=0, 则 当E=1V， 若要二极管导通，应有UD UD ， 即(1) Ui =0V，二极管截止RUi=0Uo1VUD(b)RUi=3VUo1VID0.6V(c)(2

16、) Ui ，二极管导通(3) Ui ，二极管导通补充例题半导体导电特性与基本知识电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整 流 电 路滤 波 电 路稳 压 电 路u1u2u3u4整 流 电 路滤 波 电 路稳 压 电 路整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。uo整流电路直流稳压电源的组成和功能整流电路的作用：把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。半导体导电特性与基本知识整流电路的任务：把交流电压

17、转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。 为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。单相三相二极管可控硅桥式倍压整流半波全波本课主要介绍：单相半波整流，单相全波整流，单相桥式整流整流电路分类：1 单相半波整流电路-仅采用一只二极管的最简单整流电路。半导体导电特性与基本知识单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2t2340io+二极管导通， uo=u2二极管截止, uo=0u2 0 时:u20 时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:a D1RLD3bu20 时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:

18、b D2RLD4a单相桥式整流电路输出波形：RLu2D4D2D1D3uoab 整流输出电压平均值： Uo22 负载电流平均值: Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL 二极管平均电流： ID=Io/2=0.45 U2 / RL u2uD2uD4uD1,uD3uo2. 单相桥式整流电路的性能指标输出是脉动的直流电压！半导体导电特性与基本知识u1u2TD3D2D1D4RLuo例14-3-2如图所示，已知负载电阻RL=120.要求负载电压U0=30V，交流电源电压220V，试选用二极管并求变压器变比。 解查手册选用2CP1（500mA，100V）半导体导电特性与基本知识滤波电路的结构特点:

19、电容与负载 RL 并联，或电感与负载RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压RLLRLC14.4 滤波电路原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。半导体导电特性与基本知识14.4.1 电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。一、滤波原理au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+（C滤波器）RL未接入时 (忽略整流电路内阻)u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形RL接入（且 RLC 较大） 时 (忽略整流电路内阻

20、)电容通过 RL 放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。uot电容放电无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形半导体导电特性与基本知识uotu2上升， u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo= uc u2二极管导通u2下降， u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C 通过RL放电， uc 按指数规律下降，时间常数 = RL C二极管导通角半导体导电特性与基本知识u2tuot只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流 iD 。因此整流电路的输出电流是脉冲波。整流电路的输出电流 iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+

21、iD可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。半导体导电特性与基本知识u2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。整流电路的输出电流RLC 越小，输出电压越低。3. RL接入（且RLC 较小）时 (考虑整流电路内阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+半导体导电特性与基本知识(b) 流过二极管瞬时电流很大RLC 越大 Uo越高负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大(a) 输出电压 平均值Uo与时间常数 RLC 有关RLC 愈大 电容器放电愈慢 Uo(平均值)愈大(c) 二极管承受的最高反向电压二、电容滤波电路的特点一般取( T: 电源电压的周期 )uo电容滤

22、波纯电阻负载1.4U20.9U20IL故一般选管时，取 输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变, Uo 随之改变。如: RL 愈小( IL 越大), Uo下降越多。(d) 输出特性(外特性)结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL半导体导电特性与基本知识au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+i2桥式整流电容滤波电路如图所示。已知交流电压U1=220V，50HZ，负载要求电流为700mA，电压为20V。试选择二极管，滤波电容C。计算变压器副绕组电压U2与电流I2。例14-4-1i0解：查手册选2CP1

23、（500mA，100V）耐压大于23.6V，取30VI2=（1.2-3）I0取I2=2I0=1.4A半导体导电特性与基本知识14.4.2 电感滤波电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感 L 就构成了电感滤波电路。u2u1RLLuo一、滤波原理对直流分量: XL=0 相当于短路, 直流电压大部分降在RL上。对谐波分量: f 越高，XL 越大, 交流电压大部分降在XL上。 因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。UoU2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：二、电感滤波的特点整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积

24、大，易引起电磁干扰。半导体导电特性与基本知识改善滤波特性的方法： L-C 型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC 型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC 滤波电路。 性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。LC 型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C 型滤波电路。uoRu2u1C1C2uo1RLLu2u1uoCRLuo1u2u1LuoC2RLuo1C1 采取多级滤波，使输出电压的脉动更小。如：半导体导电特性与基本知识.3 L-C 型滤波电路4. LC 滤波电路的直流输出电压：u2u1LuoCRLuo1当通过铁心电感线圈的电流发生变化时，而线圈产生的自感电动势 则阻碍电流的变化，因而使 负载

25、电流和负载电压的脉动大为减小。2. 当L 比 RL 大得愈多，则滤波效果愈好。3. 而后又经过电容滤波，再一次虑掉交流分量。 故适用于频率高，电流大，要求输出电压脉动较小的场合。半导体导电特性与基本知识.4 LC 型滤波电路u2u1LuoC2RLuo1C1显然， LC 型滤波电路输出电压的脉动系数比只有LC 滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，因而较只有LC 滤波时，提高了输出电压。在适当选择电路参数时：uot近似估算: UoU2 Io= Uo/RL半导体导电特性与基本知识uoRu2u1C1C2uo1RL14.4.5 RC 型滤波电路uot若负载电阻RL 阻值较大，负载电流较小时，可采用RC 型滤波电路。R与C2的取值 满足：且 值恒小于R。 则输出的电压波形就很平滑。半导体导电特性与基本知识UIIZUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。 稳压管+反向工作IZmax半导体导电特性与基本知识（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻半导体导电特性与基本知识abcdefg发光二极管510YaYbYgabg510510LED