电气基础半导体元器件3.pptx

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/mA40302010-5-10-15-20（A）正向00.40.81284反向UZIZU/V 当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。图中UZ稳压管的稳压管的稳定电压值。稳定电压值。由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其反向击穿是可逆的，反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化反向电压基本不随反向电流变化而变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性这就是稳压二极管的稳压特性。稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时的电流。半导体器件发光二极管单个发光二极管实物单个发光二极管实物发光二极管图符号发光二极管图符号 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件，简称的固体发光元件，简称LED。发光二极管和普通。发光二极管和普通二极管一样，管芯由二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。结构成，具有单向导电性。正向导通时才能发光。发光的颜色有红、绿、黄正向导通时才能发光。发光的颜色有红、绿、黄等多种，其正向工作电压一般在等多种，其正向工作电压一般在1.53V允许通过允许通过的电流为的电流为220mA，电流的大小决定发光的亮度。，电流的大小决定发光的亮度。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。半导体器件光电二极管 光电二极管也称光敏二极管，是利用半导体光电二极管也称光敏二极管，是利用半导体光敏特性制造的光接受器件。和普通二极管一样，光敏特性制造的光接受器件。和普通二极管一样，管芯由管芯由PN结构成，具有单向导电性。光电二极管结构成，具有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的的管壳上有一个能射入光线的“窗口窗口”，这个窗，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。其反向电流与照度正正比，即没好射在管芯上。其反向电流与照度正正比，即没有光线照射时，反向电流很小，称为暗电流；有有光线照射时，反向电流很小，称为暗电流；有光线照射时，反向电流较大，称为光电流。光线照射时，反向电流较大，称为光电流。光电二极管图符号光电二极管图符号半导体器件3.3晶体三极管1 1、双极型晶体管的基本结构和类型、双极型晶体管的基本结构和类型 双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的双极型晶体管是由两个背靠背、互有影响的PN结构成的。在结构成的。在工作过程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。工作过程中两种载流子都参与导电，所以全名称为双极结型晶体管。双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体双极结型晶体管有三个引出电极，人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管。三极管或简称晶体管。从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电从晶体管的外形可看出，其共同特征就是具有三个电极，这就是极，这就是极，这就是极，这就是“三极管三极管三极管三极管”简称的来历。简称的来历。简称的来历。简称的来历。半导体器件 由两块由两块N型半导体中间夹着一块型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为型半导体的管子称为NPN管。管。还有一种与它成对偶形式的，即还有一种与它成对偶形式的，即两块两块P型半导体中间夹着一型半导体中间夹着一块块N型半导体的管子，称为型半导体的管子，称为PNP管。管。晶体管制造工艺上的特点是：晶体管制造工艺上的特点是：发射区是高浓度掺杂区发射区是高浓度掺杂区发射区是高浓度掺杂区发射区是高浓度掺杂区，基区很薄基区很薄基区很薄基区很薄且杂质浓度底，集电结面积大。且杂质浓度底，集电结面积大。且杂质浓度底，集电结面积大。且杂质浓度底，集电结面积大。这样的结构才能这样的结构才能保证晶体管具有保证晶体管具有电流放大作用电流放大作用。三个极：发射极、集电极、基极三个区：发射区、集电区、基区两个结：发射结、集电结半导体器件晶体管的种类很多,按照频率频率分，有高频管、低频管；按照功功率率分，有小、中、大功率管；按用途用途不同分为放大管和开关管；按照半导体材料材料分，有硅管、锗管等等。晶体管的符号如图所示：硅管热稳定性好，多数为硅管热稳定性好，多数为NPN型；锗管受温度型；锗管受温度影响大，多数为影响大，多数为PNP管。管。半导体器件2、三极管的电流放大作用Am mAm mAI IC CI IB BI IE EU UBBBBU UCCCCR RB B3DG63DG6NPNNPN型晶体管电流放大的实验电路型晶体管电流放大的实验电路R RC CCEB 左图所示为验证三极管电流放大左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路，这种电路接法称为作用的实验电路，这种电路接法称为共射电路。改变可调电阻共射电路。改变可调电阻RB，基极电，基极电流流IB，集电极电流，集电极电流IC和发射极电流和发射极电流IE都都会发生变化，由测量结果可得出以下会发生变化，由测量结果可得出以下结论：结论：1.IE IB IC （符合（符合KCL定律）定律）2.IC IB，为管子的静态流放大系为管子的静态流放大系数，用来表征三极管的电流放大能力；数，用来表征三极管的电流放大能力；3.IC IB 为管子的动态电为管子的动态电流放大系数流放大系数 晶体管电流放大的条件：晶体管电流放大的条件：晶体管电流放大的条件：晶体管电流放大的条件：晶体管内部：晶体管内部：晶体管内部：晶体管内部：a）发射区杂质浓度发射区杂质浓度基区基区集电区；集电区；b）基区很薄。基区很薄。晶体管外部：晶体管外部：晶体管外部：晶体管外部：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。半导体器件晶体管的电流放大原理：晶体管的电流放大原理：晶体管的电流放大原理：晶体管的电流放大原理：1 1、发射区向基区扩散电子的过程：、发射区向基区扩散电子的过程：、发射区向基区扩散电子的过程：、发射区向基区扩散电子的过程：由于发射结处于正向偏置，发射区的多由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不数载流子自由电子将不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。2 2、电子在基区的扩散和复合过程：、电子在基区的扩散和复合过程：、电子在基区的扩散和复合过程：、电子在基区的扩散和复合过程：由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度由于基区很薄，其多数载流子空穴浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分少一部分和基区空穴复合，剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘。都能扩散到集电结边缘。3 3、集电区收集从发射区扩散过来的电子过、集电区收集从发射区扩散过来的电子过、集电区收集从发射区扩散过来的电子过、集电区收集从发射区扩散过来的电子过程：程：程：程：由于集电结反向偏置，可将从发射区扩由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流电区，从而形成较大的集电极电流IC。实验表明：实验表明：实验表明：实验表明：IC比比IB大数十至数百倍，因而大数十至数百倍，因而IB虽然很小，但对虽然很小，但对IC有控制作用，有控制作用，IC随随IB的的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的这就是三极管的电流电流电流电流放大作用放大作用放大作用放大作用。半导体器件3、三极管的特性曲线1 1输入特性曲线输入特性曲线晶体管的输入特性与二极管类似晶体管的输入特性与二极管类似输入特性曲线是指输入特性曲线是指UCE为常数时，为常数时，IB和和UCE之间的关系曲线，之间的关系曲线，即即 IB=f(UBE)/Uce=常数常数半导体器件2、输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置iB0，uBE0，uCEuBE半导体器件4、三极管的主要参数1 1、电流放大倍数、电流放大倍数：i iC C=i iB B2 2、极间反向电流、极间反向电流i iCBOCBO、i iCEOCEO：i iCEOCEO=（1+1+）i iCBOCBO3 3、极限参数、极限参数 （1 1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流 I ICMCM：下降到额定值下降到额定值的的2/32/3时所允时所允许的最大集电极电流。许的最大集电极电流。（2 2）反向击穿电压）反向击穿电压U U（BRBR）CEOCEO：基极开路时，集电极、发射极间基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压：基极开路时、集电极与发射极之间的最大允许的最大允许电压：基极开路时、集电极与发射极之间的最大允许电压。为保证晶体管安全工作，一般应取：电压。为保证晶体管安全工作，一般应取：（3 3）集电极最大允许功耗）集电极最大允许功耗P PCMCM ：晶体管的参数不超过允许值：晶体管的参数不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。时，集电极所消耗的最大功率。半导体器件3.4晶闸管晶闸管原称可控硅，是一种较理想的大功率变流器件。晶闸管原称可控硅，是一种较理想的大功率变流器件。1 1、晶闸管的结构及符号、晶闸管的结构及符号N1P1P2N2AKGAKG晶闸管有三个电极：阳极A、阴极K、门极（控制极）G具有三个PN结。半导体器件2 2、晶闸管的导通条件和关断条件、晶闸管的导通条件和关断条件P1P2N2N1正向阻断状态：反向阻断状态：P1P2N2N1导通状态：N1P1P2N2UGK晶闸管导通控制极将失去作用半导体器件晶闸管导通的条件：1、阳极A与阴极K之间施加正向电压2、控制极G与阴极K之间施加正向触发电压晶闸管的关断条件：正向阳极电压降低到一定值使流过晶闸管的电流小于维持电流要关断已经导通的晶要关断已经导通的晶要关断已经导通的晶要关断已经导通的晶闸管，可以把阳极电闸管，可以把阳极电闸管，可以把阳极电闸管，可以把阳极电压切除或反向。压切除或反向。压切除或反向。压切除或反向。晶闸管导通时管压降一般在0.41.2V之间半导体器件3、晶闸管的主要参数UTn额定电压，由生产厂家确定。通常取UTn=（23）UTMUF晶闸管导通时的管压降的平均值，一般在0.41.2之间。IT(AV)额定电流（通态平均电流），是指在规定的环境温度及散热条件下允许通过的正弦半波电流的平均值。以上三个参数是选购晶闸管的主要技术数据半导体器件1、二极管的主要特性是（单向导电性单向导电性 ），其主要参数有（最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流I IF FMM ）、（最高反向工作电压最高反向工作电压最高反向工作电压最高反向工作电压URMURM ）、（反向电流反向电流反向电流反向电流IRIR ）。2、二极管的两端加正向电压时，有一段死区电压，锗管约为（0.1V），硅管约为（0.5V ）。目录单击此处添加标题文字单击此处添加标题文字单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容单击此处添加标题文字单击此处添加标题文字单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容单击此处添加标题文字单击此处添加标题文字单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容单击此处添加标题文字单击此处添加标题文字单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容单击此处添加文字内容The end,thank you!