半导体基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 半导体二极管,第一章 半 导 体 二极管,1.1 半导体基础知识,1.2半导体二极管的特性及主要参数,1.3二极管电路的分析方法,1.3特殊二极管,1.3半导体二极管特性的测试与应用,1,1.1 半导体基础知识,物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 ,物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。,2,1.1.1 本征半导体,纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。为便于讨论, 采用图 1- 所示的简化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子核的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中, 每个原子都和周围的个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图 - 所示。 ,3,图 1 1,硅和锗简化原子,结构模型,图 1 2 本征半导体共价键晶体结构示意图,4,共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1-所示。,图 1 3 本征半导体中的自由电子和空穴,5,由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我们用,n,和,p,分别表示电子和空穴的浓度, 即,n,i,=p,i, 下标,i,表示为本征半导体。,6,价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一定的。本征半导体中载流子的浓度, 除了与半导体材料本身的性质有关以外, 还与温度有关, 而且随着温度的升高, 基本上按指数规律增加。因此, 半导体载流子浓度对温度十分敏感。对于硅材料, 大约温度每升高, 本征载流子浓度,n,i,增加 1 倍；对于锗材料, 大约温度每升高,增加 1 倍。 除此之外, 半导体载流子浓度还与光照有关, 人们正是利用此特性, 制成光敏器件。,7,1.1.2 杂质半导体,1. 型半导体,在本征半导体中, 掺入微量价元素, 如磷、锑、砷等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有个价电子, 因此它与周围个硅(锗)原子组成共价键时, 还多余 1 个价电子。 它不受共价键的束缚, 而只受自身原子核的束缚, 因此, 它只要得到较少的能量就能成为自由电子, 并留下带正电的杂质离子, 它不能参与导电, 如图-所示。显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度, 即,n,n,p,n,(下标表示是型半导体), 主要靠电子导电, 所以称为型半导体。由于价杂质原子可提供自由电子, 故称为施主杂质。型半导体中, 自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。,8,图 1 - 4 N型半导体共价键结构,9,2. P型半导体,在本征半导体中, 掺入微量价元素, 如硼、镓、铟等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。,图 1 5 P型半导体的共价键结构,10,P型半导体中,空穴是多数载流子,，,主要由掺杂形成；,电子是少数载流子，,由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为,负离子,。三价杂质 因而也称为,受主杂质,。,11,一、 PN,结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成,N,型半导体和,P,型半导体。此时将在,N,型半导体和,P,型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,多子的扩散运动,由,杂质离子,形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,1.1.3 结,12,最后,多子的,扩散,和少子的,漂移,达到,动态平衡,。对于,P型半导体和N型,半导体结合面，,离子薄层形成的,空间电荷区,称为,PN结,。在空间电,荷区，由于缺少,多子，所以也称,耗尽层,。,图16 PN结的形成过程,PN 结形成的过程可参阅图 1 6 。,13,二、 PN,结的单向导电性,如果外加电压使,PN,结中：,P,区的电位高于,N,区的电位，称为加,正向电压,，简称,正偏,；,PN,结具有单向导电性,，若外加电压使电流从,P,区流到,N,区，,PN,结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P,区的电位低于,N,区的电位，称为加,反向电压,，,简称,反偏,。,14,(1) PN,结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在,PN,结区，方向与,PN,结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，,PN,结呈现低阻性。,PN,结加正向电压时的导电情况如图,17,所示。,图17,PN,结加正向电压,时的导电情况,15,(2) PN,结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，,扩散电流大大减小。此时,PN结区的少子在内电场的,作用下形成的漂移电流大,于扩散电流，可忽略扩散,电流，PN结呈现高阻性。,在一定的温度条件下，,由本征激发决定的少子浓,度是一定的，故少子形成,的漂移电流是恒定的，基,本上与所加反向电压的大,小无关,，,这个电流也称为,反向饱和电流,。,PN结加反向电压时的导电情况如图18所示。,图 18 PN结加反向电压时的导电情况,16,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,图 19 PN结加反向电压时的导电情况,17,1.2 半导体的特性及主要参数,1.2.1 半导体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有,点接触型、面接触型和平面型,三大类。它们的结构示意图如图110所示。,PN结面积小，结电容小，,用于检波和变频等高频电路。,PN结面积大，用,于工频大电流整流电路。,往往用于集成电路制造工,艺中。PN 结面积可大可小，用,于高频整流和开关电路中。,18,图 1 10 半导体二极管的结构和符号,19,1.2.2,二极管的伏安特性,图 1 11 二极管的伏安特性曲线,20,(1) 正向特性：当U0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当,0,U,U,th,时，,正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压；当,UU,th,时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,硅二极管的死区电压,U,th,=0.5 V,左右,，,锗二极管的死区电压,U,th,=0.1 V,左右。,实际电路中二极管导通时的正向压降 ，硅管的,约为. V, 锗管的,约为. V。通常取硅管,on,0.7V，锗管,on,0.2V。,(2) 反向特性：二极管加反向电压, 反向电流数值很,21,(3) 二极管的温度特性：二极管的特性对温度很敏感, 温度升高, 正向特性曲线向左移, 反向特性曲线向下移。 其规律是：在室温附近, 在同一电流下, 温度每升高, 正向压降减小.V；温度每升高, 反向电流约增大 1 倍。,小, 且基本不变, 称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安()数量级, 锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时, 反向电流急剧增加, 产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。,22,1.2.3,二极管的击穿特性,当反向电压超过反向击穿电压U,B,时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：,雪崩击穿：,当反向电压足够高时（,U6V）PN,结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。,齐纳击穿：,对掺杂浓度高的半导体，,PN,结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（,U4V），,耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。,23,1.2.4,二极管的主要参数,1、 最大整流电流,。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于, 如超过, 二极管将过热而烧毁。此值取决于结的面积、材料和散热情况。,2、 最大反向工作电压,。这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时, 二极管可能被击穿。为了留有余地, 通常取击穿电压的一半作为,。 ,24,3、 反向电流,。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小, 二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成, 所以,值受温度的影响很大。,4、最高工作频率,。,的值主要取决于结结电容的大小, 结电容越大, 则二极管允许的最高工作频率越低。,25,1.3 二极管电路的分析方法,线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。,（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。,（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。,该模型提供了合理的近似，用途广泛,。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。,26,（3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻 r,D,来作进一步的近似，此电池的电压选定为二极管的门坎电压U,th,，约为0.5V，r,D,的值为200欧。由于二极管的分散性，U,th,、r,D,的值不是固定的。,（4）小信号模型：如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如静态工作点Q（此时有u,D,=U,D,、i,D,=I,D,）附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻r,d,。,27,1.4.1 稳压二极管,图 1 - 12 稳压管伏安特性和符号,1.4 特殊二极管,28,图 1 -17 稳压管电路,29,1. 稳定电压,U,z,稳定电压是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化, 因而测试,U,z时应使稳压管的电流为规定值。稳定电压,是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管, 其稳定电压值不同。同一型号的管子, 由于制造工艺的分散性, 各个管子的,值也有差别。例如稳压管DW7C, 其,.1.V, 表明均为合格产品, 其稳定值有的管子是.V, 有的可能是.V等等, 但这并不意味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大。 ,30,2. 稳定电流I,z,稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流, 低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是, 工作电流较大时, 稳压性能较好。但电流要受管子功耗的限制, 即,I,z max,=,P,z,/,U,z,。,31,3. 电压温度系数,指稳压管温度变化时, 所引起的稳定电压变化的百分比。一般情况下, 稳定电压大于V的稳压管,为正值, 即当温度升高时, 稳定电压值增大。如CW,10.5V,.%/, 说明当温度升高时, 稳定电压增大0.09%。而稳定电压小于V的稳压管,为负值, 即当温度升高时, 稳定电压值减小, 如CW11,.V,(.%.%), 若,.%, 表明当温度升高时, 稳定电压减小0.05%。稳定电压在V间的稳压管, 其,值较小, 稳定电压值受温度影响较小, 性能比较稳定。,32,4. 动态电阻,r,z,是稳压管工作在稳压区时, 两端电压变化量与电流变化量之比, 即,。,值越小, 则稳压性能越好。同一稳压管,一般工作电流越大时,值越小。 通常手册上给出的,值是在规定的稳定电流之下测得的。 ,33,5. 额定功耗,P,z,由于稳压管两端的电压值为,而管子中又流过一定的电流, 因此要消耗一定的功率。这部分功耗转化为热能, 会使稳压管发热。,取决于稳压管允许的温升。 ,1.4.2,光电二极管,1. 发光二极管,图 1 - 13 发光二极管符号,2. 光敏二极管,图 1 - 14 光电二极管符号,34,1.5 半导体二极管特性珠测试与应用,1.5.1,半导体器件型号命名方法,一、半导体器件的型号由五个部分组成,二、的型号组成部分的符号及其意义（见教材P18表）,35,附：二极管的应用,二极管的运用基础, 就是二极管的单向导电特性, 因此, 在应用电路中, 关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般用电压源,.V(硅管, 如是锗管用.V)代替, 或近似用短路线代替。截止时, 一般将二极管断开, 即认为二极管反向电阻为无穷大。 ,二极管的整流电路放在第八章直流电源中讨论。,1.5.2,半导体二极管参数选录（见教材P19）,36,1. 限幅电路,当输入信号电压在一定范围内变化时, 输出电压随输入电压相应变化； 而当输入电压超出该范围时, 输出电压保持不变, 这就是限幅电路。通常将输出电压,u,o,开始不变的电压值称为限幅电平, 当输入电压高于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅称为下限幅。 ,限幅电路如图-5所示。改变值就可改变限幅电平。,37,图 1 15 并联二极管上限幅电路,38,V, 限幅电平为V。,u,时二极管导通,u,o,V；,u,i,V, 二极管截止,u,o,u,。波形如图-16(,a,)所示。,如果,U,m, 则限幅电平为,。,u, 二极管截止,u,o,u,；,u, 二极管导通,u,o,。波形图如图 - 6(,)所示。 ,如果,m, 则限幅电平为-E, 波形图如图 - 16(,)所示。 ,39,图 1 - 16 二极管并联上限幅电路波形关系,40,图 1 - 17 并联下限幅电路,41,图 1 - 18 串联限幅电路,42,图 1 - 19 双向限幅电路,43,2二极管门电路,图 1 - 20 二极管“与”门电路,44,