第一章半导体的基本知识.ppt

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1、第一章 半导体的基本知识,1.1 半导体及PN结1.2 半导体二极管1.3 二极管基本电路及其应用1.4 特殊二极管,1.1 半导体及PN结,半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。半导体器件是构成电子电路的基础。半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。,下一页,返回,1.1 半导体及PN结,1.1.1 半导体的基本特性 1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而

2、迅速增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的锗从20升高到30时，它的电阻率几乎减小为原来的12。而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10时，它的电阻率几乎不变。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能

3、力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之。所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不向用途的半导体器件。而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,1.1.2本征半导体由于现在所用的半导体材料仍然主要是硅和锗，所以在这里只讨论硅和锗的原子结构，图1-1所示是硅和锗的原子结构简化模型。硅和锗的外层电子都是4个，它们是四价元素。随着原子间的相互靠近，价电子相互作用并形成晶体。晶体的最终结构是四面体，每个原子(硅或锗)周围都有4个临近的(硅或锗)原子，分布在两个原子间的价电

4、子构成共价键，图1-2所示是硅和锗四面体结构。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,硅和锗四面体结构一般用二维平面图来表示，图1-3所示是硅和锗晶体结构平面图。在晶体结构中，通过电子运动，每一半导体原子最外层的4个价电子与相邻的4个半导体原子的各一个价电子组成4对共价键，并按规律排列，图中的原子间每条线代表一个价电子。本征半导体就是以上所说的一种纯净的半导体晶体。在热力学温度T0 K(-273)无外部激发能量时，每个价电子都处于最低能态，价电子没有能力脱离共价键的束缚没有能够自由移动的带电粒子，这时的本征半导体被认为是绝缘体。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,当价电子在

5、外部能量(如温度升高、光照)作用下，一部分价电子脱离共价键的束缚成为自由电子，这一过程叫本征激发。自由电子是带负电荷量的粒子，它是本征半导体中的一种载流子。在外电场作用下，自由电子将逆着电场方向运动形成电流。载流子的这种运动叫漂移，所形成的电流叫漂移电流。价电子脱离共价键的束缚成为自由电子后，在原来的共价健中便留下一个空位，这个空位叫空穴。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,空穴很容易被邻近共价键中跳过来的价电子填补上，于是在邻近共价键中又出现新的空穴，这个空穴再被别处共价键中的价电子来填补；这样，在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。在外部能量的作用下，填补空穴的价电子作定向移动

6、也形成漂移电流。但这种价电子的填补运动是由于空穴的产生引起的，而且始终是在原子的共价键之间进行的，它不同于自由电子在晶体中的自由运动。同时，价电子填补空穴的运动无论在形式上还是在效果上都相当于空穴在与价电子运动相反的方向上运动。为了区分电子的这两种不同的运动，把后一种运动叫做空穴运动，空穴被看作带正电荷的带电粒子，称它为空穴载流子。图1-4所示是半导体中的两种载流子。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,综上所述，本征半导体中存在两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。它们是成对出现的，也叫电子空穴对。由于两者电荷量相等，极性相反，所以本征半导体是电中性的。本征半导体在外界的

7、作用下，电子形成电子电流，空穴形成空穴电流,虽然两种载流子的运动方向相反，但因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的，它们的和就是半导体中的电流。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,1.1.3杂质半导体1、N型半导体在本征半导体中掺入正五价元素(如磷、砷)使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。掺入的元素原子有5个价电子，其中4个与硅原子结合成共价键，余下的一个不在共价键之内，掺入的五价元素原子对它的束缚力很小。因此只需较小的能量便可激发而成为自由电子。由于掺入的五价元素原子很容易贡献出一个自由电子，故称为“施主杂质”。掺入的五价元素

8、原子提供一个电子(成为自由电子)后，它本身因失去电子而成为正离子。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,在上述情况下，半导体中除了大量的由掺入的五价元素原子提供的自由电子外，还存在由本征激发产生的电子空穴对，它们是少数载流子。这种杂质半导体以自由电子导电为主，因而称为电子型半导体，或N型半导体。在N型半导体中，由于自由电子是多数，故N型半导体中的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)。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,2、P型半导体当本征半导体中掺入正三价杂质元素（如硼、镓）时，三价元素原子为形成四对共价键使结构稳定，常吸引附近半导体原子的

9、价电子，从而产生一个空穴和一个负离子，故这种杂质半导体的多数载流子是空穴，因为空穴带正电，所以称为P型半导体，也称为空穴半导体。除了多数载流子空穴外，还存在由本征激发产生的电子空穴对，可形成少数载流子自由电子。由于所掺入的杂质元素原子易于接受相邻的半导体原子的价电子成为负离子，故称为“受主杂质”。在P型半导体中，由于空穴是多数，故P型半导体中的空穴称为多数载流子(简称多子)，而自由电子称为少数载流子(简称少子),下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,P型半导体和N型半导体均属非本征半导体。其中多数载流子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度；少数载流子的浓度主要取决于温度；而所产生的离子

10、，不能在外电场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。1.1.4 PN结如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,1、PN结的形成在P型和N型半导体的交界面两侧，由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊，所以N区中的多数载流子自由电子要向P区扩散，同时P区中的多数载流空穴也要向N区扩散，并且当电子和空穴相遇时，将发生复合而消失。如图1-5所示。于是，在交界面两侧将分别形成不能移动的正、负离子区，正、负离子处于晶格位置而不能移动，所以称为空间电荷区(亦称为内电场)。,下一页,上一页,返回,1

11、.1 半导体及PN结,由于空间电荷区内的载流子数量极少，近似分析时可忽略不计，所以也称其为耗尽层。空间电荷区一侧带正电，另一侧带负电，所以形成了内电场，其方向由N区指向P区。在内电场的作用下，P区和N区中的少子会向对方漂移，同时内电场将阻止多子向对方扩散，当扩散运动的多子数量与漂移运动的少子数量相等，两种运动达到动态平衡的时候，空间电荷区的宽度一定，PN结就形成了。,下一页,上一页,返回,1.1 半导体及PN结,2、PN结的单向导电性在PN结的两端引出电极，P区的一端称为阳极，N区的一端称为阴极。在PN结的两端外加不同极性的电压时，PN结表现出截然不同的导电性能，称为PN结的单向导电性。(1)

12、在外加正向电压时PN结处于导通状态(2)在外加反向电压时PN结处于截止状态,上一页,返回,1.2 半导体二极管,在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，就构成了半导体二极管。由P型半导体引出的电极，叫做正极(或阳极)，由N型半导体引出的电极，叫做负极(或阴极)。通常用图1-8(c)所示的符号表示。按照结构工艺的不同、二极管有点接触型和面接触型两类。它们的管芯结构和符号如图1-8所示。点接触型二极管(般为锗管)的PN结结面积很小(结电容小)，工作频率高，适用于高频电路和开关电路；面接触型二极管(一般为硅管)的PN结结面积大(结电容大)，工作频率较低，适用于大功率整流等低频电路中。,下一页

13、,返回,1.2 半导体二极管,半导体二极管的种类和型号很多，我们用不同的符号来代表它们，例如2AP9，其中“2”表示二极管，“A”表示采用N型锗材料为基片，“P”表示普通用途管(P为汉语拼音字头)，“9”为产品性能序号；又如2CZ8，其中“c”表示由N型硅材料作为基片，“z”表示整流管。关于二极管型号的命名方法可参见附录的有关内容。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,1.2.1二极管的伏安特性二极管既然是一个PN结，它必然具有单向导电性。其伏安特性曲线如图1-9所示。所谓伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线。二极管的伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部

14、分。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,1、正向特性当二极管加上很低的正向电压时，外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。当正向电压超过一定数值即死区电压后，内电场被大大削弱，电流增长很快，二极管电阻变得很小。死区电压又称阀值电压，硅管约为0.60.7V。锗管约为0.20.3V。二极管正向导通时，硅管的压降一般为0.60.7V，锗管则为0.20.3V。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,2、反向特性二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，因而形成很小的反向电流。反向电流有两个特性，一是它随温度的上升增长很快

15、；二是在反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反向电压改变而改变，故这个电流称为反向饱和电流。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为电击穿。发生击穿的原因，一种是处于强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，新产生的载流子在电场作用下获得足够能量后又通过碰撞产生电子空穴对。如此形成连锁反应，反向电流愈来愈大，最后使得二极管反向击穿。另一种原因是强电场直接将共价键的价电子拉出来，产生电子空穴对，形成较大的反向电流。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能。产生击穿时加在二极管上的反

16、向电压称为反向击穿电压U(BR)。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,1.2.2 主要参数 1、最大整流电流 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。当电流超过这个允许值时，二极管会因过热而烧坏，使用时务必注意。,下一页,上一页,返回,1.2 半导体二极管,2、反向峰值电压URM 它是保证二极管不被击穿而得出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。3、反向峰值电流IRM它是指在二极管上加反向峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明单向导电性能差，并且受温度的影响大。,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.1整流应用 利用二极管

17、的单向导电性可以把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电。如图l-10所示。这种方法简单、经济，在日常生活及电子电路中经常采用。根据这个原理，还可以构成整流效果更好的单相全波、单相桥式等整流电路。1.3.2 钳位应用 利用二极管的单向导电性在电路中可以起到钳位的作用。,下一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.3限幅应用利用二极管的单向导电性，将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。 1.3.4稳压应用在需要不高的稳定电压输出时，可以利用几个二极管的正向压降串联来实现。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.5开关应用在数字电路中经常将半导体二极

18、管作为开关元件来使用，因为二极管只有单向导电性，可以相当于个受外加偏置电压控制的无触点开关。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,1.3.6 二极管的识别与简单测试1、二极管的极性判别有的二极管从外壳的形状上可以区分电极；有的二极管的极性用二极管符号印在外壳上，箭头指向的一端为负极；还有的二极管用色环或色点来标志(靠近色环的一端是负极，有色点的一端是正极)。若标志脱落，可用万用表测其正反向电阻值来确定二极管的电极。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,测量时把万用表置于100挡或1K档，不可用1挡或10K档，前者电流太大，后者电压太高，有可能对二极管造成不利

19、的影响。用万用表的黑表笔和红表笔分别与二极管两极相连。对于指针式万用表，当测得电阻较小时，与黑表笔相接的极为二极管正极；测得电阻很大时，与红表笔相接的极为二极管正极。对于数字万用表，由于表内电池极性相反，数字表的红表笔为表内电池正极，实际测量中必须要注意。对于数字万用表，还可以用专门的二极管档来测量，当二极管被正向偏置时，显示屏上将显示二极管的正向导通压降，单位是毫伏。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,2、性能测试二极管正、反向电阻的测量值相差愈大愈好，一般二极管的正向电阻测量值为几百欧姆，反向电阻为几十千欧姆到几百千欧姆。如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路；若

20、测量值均为零，则说明内部短路；如测得正、反向电阻几乎一样大，这样的二极管已经失去单向导电性，没有使用价值了。,下一页,上一页,返回,1.3 二极管基本电路及其应用,一般来说，硅二极管的正向电阻在几百到几千欧姆，锗管小于lK，因此如果正向电阻较小，基本上可以认为是锗管。若要更准确地知道二极管的材料，可将管子接入正偏电路中测其导通压降：若压降在0.6-0.7V左右，则是硅管；若压降在0.2-0.3V左右，则是锗管。当然，利用数字万用表的二极管挡，也可以很方便地知道二极管的材料。,上一页,返回,1.4 特殊二极管,1.4.1 稳压管1、稳压管的稳压作用稳压管是一种特殊的硅二极管，由于它在电路中与适当

21、数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管的伏安持性曲线与普通二极管的类似，如图1-14(a)所示，其差异是稳压管的反向特性曲线比较陡。如图1-14(b)所示为稳压管的符号。,下一页,返回,1.4 特殊二极管,稳压管正常工作于反向击穿区，且在外加反向电压撤除后，稳压管又恢复正常，即它的反向击穿是可逆的。从反向特性曲线上可以看出，当稳压管工作于反向击穿区时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小，即它能起稳压的作用。 2、稳压管的主要参数稳压管的主要参数有：,下一页,上一页,返回,1.4 特殊二极管,(1)稳定电压UZ。 (2)稳定电流IZ。 (3)动态电阻rZ。 (

22、4)最大允许耗散功率PZM。,下一页,上一页,返回,1.4 特殊二极管,1.4.2 光电二极管光电二极管也是一种特殊二极管。它的特点是：在电路中它一般处于反向工作状态，当没有光照射时，其反向电阻很大，PN结流过的反向电流很小；当光线照射在PN结上时就在PN结及其附近产生电子空穴对，电子和空穴在PN结的内电场作用下作定向运动，形成光电流。如果光的照度发生改变，电子空穴对的浓度也相应改变，光电流强度也随之改变。可见光电二极管能将光信号转变为电信号输出。,下一页,上一页,返回,1.4 特殊二极管,光电二极管可用来作为光控元件。当制成大面积的光电二极管时，能将光能直接转换为电能，可作为一种能源，因而称

23、为光电池。光电二极管的管壳上有一个玻璃口，以便接受光照，光电二极管的伏安特性曲线及符号如图1-15所示。,下一页,上一页,返回,1.4 特殊二极管,1.4.3发光二极管发光二极管简写为LED，其工作原理与光电二极管相反。由于它采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制成，所以在通过正向电流时，由于电子与空穴的直接复合而发出光来。如图1-16所示为发光二极管的图形符号及其正向导通发光时的工作电路。,上一页,返回,图1-1 硅和锗的原子结构简化模型,返回,图1-2 硅和锗四面体结构,返回,图1-3 硅和锗晶体结构平面图,返回,图1-4 半导体中的两种载流子,返回,图1-5 PN结的形成,返回,图1-8 二极管的结构和符号,返回,(a)点接触型； (b)面接触型 (c)符号,图l-9 二极管的伏安特性曲线,返回,(a)2CP10硅二极管 (b)2AP锗二极管,图1-10 二极管的整流应用,返回,（a）二极管整流电路；(b)输入与输出波形,图1-14 稳压管的伏安特性曲线与符号,返回,（a）伏安特性曲线；(b)符号,图1-15 光电二极管的伏安特性曲线及符号,返回,（a）特性曲线；（b）符号,图1-16 发光二极管的符号及其工作电路,返回,(a)符号；(b)工作电路,