第4章半导体二极管三极管和场效应管名师编辑PPT课件.ppt

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1、半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和场效应管场效应管4.1PN结结4.2半导体二极管半导体二极管4.3双极型晶体管双极型晶体管一一 半导体半导体（一）半导体基本知识1.导体、绝缘体、半导体：物质导电能力的强弱可用电阻率（）表示导体：导电能力强的物质（106*cm）半导体：常温下(27)导电能力居于导体及绝缘体之间的物质如，纯硅（Si）、纯锗(Ge)。（二）半导体的晶体结构 制作半导体件最常用的材料：硅（Si）、锗（Ge）晶体：原子按一定规律整齐排列的物质单晶体：原子与原子之间通过共价键连接起来 GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现

2、代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构简化简化模型模型惯性核惯性核硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动（一）本征半导体：纯净的单晶结构的半导体一）本征半导体：纯净的单晶结构的半导体受惯性核束缚的价电子在绝对温度零度受惯性核束缚的价电子在绝对温度零度(0(0K)K)即即-273-273之下之下本征半导体硅（锗）的全部价电子本征半导体硅（锗）的全部价电子

3、都为束缚电子都为束缚电子与理想绝缘体一样不能导电。与理想绝缘体一样不能导电。自由电子：自由电子：价电子获得足够的能量挣脱惯性核的束缚价电子获得足够的能量挣脱惯性核的束缚(温度温度0 0 K K时时)带负电荷的物质带负电荷的物质又称电子载流，这是由热激发而来的又称电子载流，这是由热激发而来的空穴：空穴：价电子成为自由电子时价电子成为自由电子时,原共价键留下了一个空位原共价键留下了一个空位带正电荷的物质，即空穴载流子。带正电荷的物质，即空穴载流子。二半导体的导电原理二半导体的导电原理本征激发：共价键分裂产生电子空穴对的过程本征激发：共价键分裂产生电子空穴对的过程自由电子和空穴在运动中相遇重新结合自

4、由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。成对消失的过程。在一定条件下，激发与复合的过程达到动态在一定条件下，激发与复合的过程达到动态平衡平衡本征半导体的自由电子和空穴的数本征半导体的自由电子和空穴的数目保持平衡。目保持平衡。在室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。载流子浓度：单位体积半导体中载流子的数目（个/m3）本征半导体内电子载流子浓度（Ni）=空穴载流子浓度（Pi）本征载流子浓度=Ni+Pi（其值甚微）即载流子浓度甚低 本

5、征半导体内的载流子浓度很低导电能力很弱，故不能用来直接制作半导体器件两种载流子两种载流子电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动 结论结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。（二）（二）杂质半导体杂质半导体1、N 型半导体型半导体：在本征半导体中掺入五价元素（

6、磷）在本征半导体中掺入五价元素（磷）增大自由电子浓度增大自由电子浓度N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数2、P 型半导体：型半导体：在本征半导体中掺入三价元素（硼）在本征半导体中掺入三价元素（硼）增大空穴浓度增大空穴浓度P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数漂移运动：漂移运动：漂移电流漂移电流载流子在电场作用下定向运动所形成的电流。载流子在电场作用下定向运动所形成的电流。自由电子：从低自由电子：从低

7、高电位漂移形成电流高电位漂移形成电流(方向与电场方向相反方向与电场方向相反)空穴：从高空穴：从高低电位漂移形成电流（方向与电场方向相同）低电位漂移形成电流（方向与电场方向相同）电场强电场强、漂移速度高、载流子浓度大、漂移速度高、载流子浓度大=总漂移电流大。总漂移电流大。扩散电流：物质由高浓度的地方向低浓度的地方运动所形扩散电流：物质由高浓度的地方向低浓度的地方运动所形成的电流。成的电流。浓度差越大浓度差越大扩散能力越强扩散能力越强扩散电流越大扩散电流越大扩散电流大小扩散电流大小同载流子浓度差或扩散运动快慢成正比同载流子浓度差或扩散运动快慢成正比（三）载流子的漂移运动和扩散运动（三）载流子的漂移

8、运动和扩散运动3.扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流 I=0。三、三、PN 结结(PN Junction)的形成的形成P 型、型、N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子（电子）少数载流子（电子）正离子正离子多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子P 型型N 型型1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子，阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移

9、。利于少子的漂移。内建电场内建电场PNP 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2.外加外加反向反向电压电压(反向偏置反向偏置)reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流

10、较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 0四、四、PN结的特性结的特性（一）（一）PN 结的单向导电性结的单向导电性 1.外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)1、PN结加正向电压结加正向电压 当当P区接区接“+”，N区接区接“-”，称为，称为PN结正向偏置（结正向偏置（正偏正偏）。）。PN结呈导通状态，结呈导通状态，电阻很小。电阻很小。2、PN结加反向电压结加反向电压 当当N区接区接“+”，P区接区接“-”，称为，称为PN 结结反向偏置（反向偏置（反偏反偏）。）。PN结呈截止状态，

11、只结呈截止状态，只有反向饱和电流流过，有反向饱和电流流过，电阻很大电阻很大。结论：结论：（二）（二）PN 结的伏安特性结的伏安特性)1e(/STUuII反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mVOu/VI/mA正向特性正向特性反向击反向击穿穿加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iIS(四）四）PN结结的极间电容的极间电容电容由两部分组成：电容由两部分组成：势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒电容：势垒电容：是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电是由空间电荷区

12、的离子薄层形成的。当外加电压使压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。如电容的充放电。扩散电容：扩散电容：是由多子扩散后，在是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。结的另一侧面积累而形成的。因因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在过来的电子就堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形

13、成一定的多子浓结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。度梯度分布曲线。P+-N2.1 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数2.4 二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用2.5 稳压二极管稳压二极管 一、半导体二极管的结构和类型一、半导体二极管的结构和类型构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：D 阳极阴极分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型点接触型点接触型正极正极引线引线

14、触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on)=(0.6 1)V硅管硅管 0.7 V(0.2 0.5)V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU(BR)反向击反向击穿穿

15、U(BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压击穿电压 6 V，正，正温度系数温度系数)特点：随着反向电流急剧增加，特点：随着反向电流急剧增加，PN结的反向电压值增加很少。结的反向电压值增加很少。电击穿电击穿硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.8255

16、0iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4 25 50510150.010.020温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD/mAuD/V20 C90 CT 升高时，升高时，UD(on)以以(2 2.5)mV/C 下降下降三、三、二极管的主要参数二极管的主要参数1.IF 最大整流电流最大整流电流(最大正向平均电流最大正向平均电流)2.URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为 U(BR)/2 3.IR 反向电流反向电流(越小单向导电性越好越小单向导电性越好)4.fM 最高工作频率最高工作频率(超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)I FURMO1.最大整流电流最大整流电流 IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2.反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增，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电过热而烧坏