电气基础半导体元器件.pptx
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1、半导体器件3.1半导体的基本知识 物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体缘体缘体缘体3 3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体,它们的电导率在金属都是良好的导体,它们的电导率在金属都是良好的导体,它们的电导率在金属都是良好的导体,它们的电导率在10105 5ScmScm-1-1量级;而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级;而像
2、塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级;而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级;而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体,它们的电导率在称为绝缘体,它们的电导率在称为绝缘体,它们的电导率在称为绝缘体,它们的电导率在1010-22-221010-14-14ScmScm-1-1量量量量级;导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半级;导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半级;导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半级;导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体,它们的电导率在导体,它们的电导率在导体,它们的电导率在导体,它们的电导率在1010-9-910102 2ScmScm-1-1
3、量级。自然量级。自然量级。自然量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类,目前用来制造界中属于半导体的物质有很多种类,目前用来制造界中属于半导体的物质有很多种类,目前用来制造界中属于半导体的物质有很多种类,目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体,半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体,半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体,半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体,主要有硅主要有硅主要有硅主要有硅(Si)(Si)、锗、锗、锗、锗(Ge)(Ge)和砷化镓(和砷化镓(和砷化镓(和砷化镓(GaAs)GaAs)等。等。等。等。半导体器件1.1.本征本征半导体和掺杂半导体半导体和
4、掺杂半导体本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体。杂质半导体:在纯净的半导体中加入微量的杂质元素后形成的半导体。杂质半导体N性半导体(电子性半导体)掺入5价的杂质元素如磷(P),多数载流子是自由电子。P性半导体(空穴性半导体)掺入3价的杂质元素如硼(B),多数载流子是空穴。半导体器件这是硅和锗构成的共价这是硅和锗构成的共价键结构示意图键结构示意图 晶体结构中的共价晶体结构中的共价键具有很强的结合力,键具有很强的结合力,在热力学零度和没有外在热力学零度和没有外界能量激发时,价电子界能量激发时,价电子没有能力挣脱共价键束没有能力挣脱共价键束缚,这时晶体中几乎没缚,这时晶体中几乎没有自由电子,因此
5、不能有自由电子,因此不能导电导电硅和锗的简硅和锗的简化原子模型。化原子模型。半导体器件 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时,某些当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时,某些共价键中的价电子共价键中的价电子因热激发因热激发而获得足够的能量,因而能脱离共价键而获得足够的能量,因而能脱离共价键的束缚成为的束缚成为自由电子自由电子自由电子自由电子,同时在原来的共价键中留下一个空位,称为,同时在原来的共价键中留下一个空位,称为“空穴空穴空穴空穴”。半导体器件 不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体,虽然都有一型半导体,虽然都有一种载流子占多数,但晶体中带电粒子的正、负电荷数
6、种载流子占多数,但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等,仍然呈电中性而不带电。相等,仍然呈电中性而不带电。应注意:应注意:应注意:应注意:半导体之所以得到广泛的应用,是因为它具有以下特性。半导体之所以得到广泛的应用,是因为它具有以下特性。半导体之所以得到广泛的应用,是因为它具有以下特性。半导体之所以得到广泛的应用,是因为它具有以下特性。2.半导体的独特性能(1)热敏性。温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热敏效应可制成热敏器件。(2 2)光敏性。光照不仅可改变半导体的电导率,还可以产生电动势,这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。(3)掺杂性。通
7、过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例如,室温30C时,在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质(称掺杂),其电导率会增加几百倍。空间电荷区空间电荷区3、PN结的形成及单相导电在一定条件(例如温度一定)下,多数载流子的扩散运动逐渐减弱,在一定条件(例如温度一定)下,多数载流子的扩散运动逐渐减弱,而少数载流子的漂移运动则逐渐增强,最后两者达到动态平衡,空间而少数载流子的漂移运动则逐渐增强,最后两者达到动态平衡,空间电荷区的宽度基本稳定下来,电荷区的宽度基本稳定下来,PN结就处于相对稳定的状态。结就处于相对稳定的状态。+PNPN结的形成演示结的形成演示结的形成演示结的形成演示 空间电荷区(如上图所示),也
8、就是空间电荷区(如上图所示),也就是PNPN结结结结,又叫,又叫耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层。P区N区空间电荷区空间电荷区对于电场线的复习对于电场线的复习一、电场线:在电场中人为做出的表达电场的强弱和一、电场线:在电场中人为做出的表达电场的强弱和 方向的一系列假想曲线。方向的一系列假想曲线。二、电场线性质:二、电场线性质:A.假想的,不是真实的假想的,不是真实的 B.起于正电荷(或无穷远)止于负电荷(或无穷远)起于正电荷(或无穷远)止于负电荷(或无穷远)C.电场线不相交不闭合。电场线不相交不闭合。D.电场线的疏密表示电场的强弱。线上某点的切线方向表示该点的电场方向电场线的疏密表示电场的强弱。线上某
9、点的切线方向表示该点的电场方向三、三、对于均匀电场对于均匀电场四、电场的叠加:遵从平行四边形定则半导体器件PN结的单向导电性加正向电压时,空间电荷区变窄,PN结处于导通状态。半导体器件加反向电压时,空间电荷区变宽,PN结处于截止状态。PN PN结的结的结的结的“正偏导通,反偏阻断正偏导通,反偏阻断正偏导通,反偏阻断正偏导通,反偏阻断”称为其单向称为其单向称为其单向称为其单向导电性质,这正是导电性质,这正是导电性质,这正是导电性质,这正是PNPN结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。半导体器件3.2半导体二极管1.1.二极管的结构和类型二
10、极管的结构和类型 一一个个PNPN结结加加上上相相应应的的电电极极引引线线并并用用管管壳壳封封装装起起来来,就就构构成成了了半半导导体体二二极极管管,简简称称二二极极管管,接接在在P P型型半半导导体体一一侧侧的的引引出出线线称称为为阳阳极极;接在;接在N N型半导体一侧的引出线称为型半导体一侧的引出线称为阴极阴极。半导体二极管按其结构不同可分为半导体二极管按其结构不同可分为点接触型点接触型和和面接触型面接触型两类。两类。点点接接触触型型二二极极管管PNPN结结面面积积很很小小,因因而而结结电电容容小小,适适用用于于高高频频几几百百兆兆赫赫兹兹下下工工作作,但但不不能能通通过过很很大大的的电电
11、流流。主主要要应应用用于于小小电电流流的的整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。面面接接触触型型二二极极管管PNPN结结面面积积大大,因因而而能能通通过过较较大大的的电电流流,但但其其结结电容也小,电容也小,只适用于较低频率下的整流电路中只适用于较低频率下的整流电路中。半导体器件半导体器件2、二极管的伏安特性 二极管的电路图符号如右图所示:二极管的电路图符号如右图所示:二极管的电路图符号如右图所示:二极管的电路图符号如右图所示:(1 1)正向特性)正向特性)正向特性)正向特性 二极管外加正向电压较小时,外二极管外加正向电压较小
12、时,外电场不足以克服内电场对多子扩散电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力,的阻力,PN结仍处于截止状态结仍处于截止状态。正向电压大于死区电压后,正正向电压大于死区电压后,正向电流向电流 随着正向电压增大迅速上随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为升。通常死区电压硅管约为0.5V,锗管约为锗管约为0.1V。导通后二极管的正向压降变化不大,硅管约为导通后二极管的正向压降变化不大,硅管约为0.60.7V,锗管约为,锗管约为0.20.3V。温度上升,死区电。温度上升,死区电压和正向压降均相应降低。压和正向压降均相应降低。半导体器件(2 2)反向特性)反向特性)反向特性)反向特性反向电压大于击穿
13、电压时,反向电流急剧增加。反向电压大于击穿电压时,反向电流急剧增加。外加反向电压时,外加反向电压时,PN结处于截止状态,反向电流很小;结处于截止状态,反向电流很小;显然二极管的伏安特性不是直线,因此属于显然二极管的伏安特性不是直线,因此属于显然二极管的伏安特性不是直线,因此属于显然二极管的伏安特性不是直线,因此属于非线性电阻元件。非线性电阻元件。非线性电阻元件。非线性电阻元件。热击穿问题热击穿问题热击穿问题热击穿问题 普通二极管被击穿后,由于反向电流很大,一般都普通二极管被击穿后,由于反向电流很大,一般都会造成会造成“热击穿热击穿”,热击穿将使二极管永久性损坏热击穿将使二极管永久性损坏热击穿将
14、使二极管永久性损坏热击穿将使二极管永久性损坏。半导体器件3.二极管的主要参数1 1)最大整流电流)最大整流电流I IF FMM:指管子长期运行时,允许通过的最大正向平均指管子长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。电流。2 2)最高反向工作电压)最高反向工作电压U URMRM:二极管运行时允许承受的最高反向电压。二极管运行时允许承受的最高反向电压。3 3)反向电流)反向电流I IR R:指管子未击穿时的反向电流,其值越小,则管子的指管子未击穿时的反向电流,其值越小,则管子的单向导电性越好。单向导电性越好。二极管的应用举例二极管的应用举例二极管的应用举例二极管的应用举例DTru1RLu2UL 二
15、极管半波整流电路二极管半波整流电路uuDAUF二极管钳位电路二极管钳位电路RuOuiD1D2二极管限幅电路二极管限幅电路 二极管应用范围很广,主要是利用它的单向导电性,常用于整流、检二极管应用范围很广,主要是利用它的单向导电性,常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。半导体器件4.特殊二极管 稳压管 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管,其实物图、图符号及伏安特性如图所示:管,其实物图、图符号及伏安特性如图所示:稳压管图符号稳压管图符号稳压管实物图稳压管实物图半导体器件I/mA40302
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