电工电子技术常用半导体器件ppt课件.ppt
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1、电工电子技术,第7章 常用半导体器件,1本征半导体、杂质半导体、PN结。2二极管、三极管。3场效应晶体管。,知识点:,要求掌握:,1半导体的基础知识。2 PN结单向导电特性。3二极管的伏安特性4稳压二极管的稳压原理。5三极管的输入和输出特性曲线。,了解:,1发光二极管的发光原理。2场效应晶体管的结构和工作原理。,半导体器件是组成电子电路的核心部件,它们的基本结构、工作原理、特性及参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。本章首先介绍常用纯净半导体和杂质半导体的导电性及由两种杂质半导体构成PN结的导电性。然后从结构、工作原理和伏安特性等方面,介绍二极管、三极管、场效应晶体管等常用器件。,第7章 常
2、用半导体器件,7.1 半导体的基础知识,铜、银、铝等金属材料是很容易导电的,称为导体;陶瓷、塑料、橡胶、玻璃等材料却不容易导电,称为绝缘体。导体的导电性能良好,电阻率很低,在10-810-6m之间。例如,铜的电阻率为1.5710-8m。绝缘体的导电能力很差,电阻率很高,在108 1016m之间。例如,橡胶的电阻率为1016m。 自然界除了导体和绝缘体外,还存在一类物质,它的导电特性介于导体和绝缘体之间,它既不像导体那样容易导电,也不像绝缘体那样很难导电,这类物质称为半导体。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间,比较典型的数值为10-5 107m。例如,纯锗在室温时电阻率为0.47m。 半导体之所
3、以引起人们的注意,得到广泛的应用,其主要原因不是由于电阻率在数值上与导体和绝缘体有差别,而在于它的电阻率在受热、光照、掺杂等作用下将出现很大变化。主要表现在以下3个方面:,7.1.1 本征半导体,(1)热敏性 半导体对温度的反应很灵敏,其电阻率随着温度的上升而明显下降,例如,半导体材料纯锗,当温度从20上升到32时,它的电阻率将减小一半左右。利用这种特性很容易制成热敏电阻或其他的温度敏感的传感器。 (2)光敏性 半导体对光的反应也很灵敏,其电阻率因光照的不同而改变,光照愈强,电阻率愈低,例如,硫化镉薄膜电阻,无光照时电阻为几十兆欧姆,当光照射后电阻只有几十千欧姆。利用这一性质,可以做成各种光敏
4、元器件,如光敏电阻、光敏二极管等。 (3)掺杂性 半导体的电阻率受杂质影响很大,这一点与导体及绝缘体截然不同。在纯净的半导体中即使掺入极微量的杂质,也能使其电阻率大大降低。例如,在纯硅中加入百万分之一的硼,它的电阻率就从约2103m降到410-3m左右。不仅如此,选择不同类型的杂质,还可改变半导体的导电类型。人们利用了半导体的这一特点,通过各种工艺手段,控制半导体中的杂质的数量和性质,从而制成了各种不同性能的半导体器件。,7.1 半导体的基础知识,一个硅原子由带正电的原子核和围绕它的14个带负电的电子组成,这些电子按一定规律分布在3层电子轨道上,如图7.1(a)所示;图7.1(b)为锗原子结构
5、。硅和锗原子都是4价元素,其最外层轨道上的4个电子受原子核束缚力较小,叫做价电子,原子结构简化如图7.2所示。,7.1 半导体的基础知识,图7.1 硅和锗的原子结构,图7.2 原子结构简化图,7.1 半导体的基础知识,在硅单晶体中掺入微量5价元素,如磷(或砷、锑)等,磷原子的最外层电子轨道上有5价电子,其中4个和周围的硅原子构成共价键,还有一个电子多余,如图7.4(a)所示。这个多余的电子受原子核的束缚很微弱,在室温下,容易受热激发获得能量摆脱磷原子核对它的束缚而成为自由电子。而每个磷原子都能提供一个自由电子,磷原子失去一个电子,本身便成为一个带正电离子。它固定在晶格中,不能移动,共价键中的电
6、子也不可能来填补它,所以没有空穴产生。而半导体中的自由电子的数量远远多于空穴的数量,这种半导体称为电子型半导体或N型半导体。在N型半导体中,电子是传递电流的主要带电粒子,被称为多数载流子;空穴被称为少数载流子。,7.1.2 杂质半导体,1. N型半导体,本征半导体的导电能力很差,实际的用处不大。但是如果在本征半导体中有选择地掺入微量的某种杂质元素,情况就不同了。杂质可以改变半导体中载流子的浓度,从而达到人为控制半导体电阻率的目的。杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。,7.1 半导体的基础知识,图7.4 硅单晶体掺杂示意图,7.1 半导体的基础知识,在硅单晶体中掺入微量3价元素,如硼元素(或铝
7、、铟)等,如图7.4(b)所示。由于硼的价电子只有3个,当它和周围的硅原子形成共价键时,缺少一个电子,形成不稳定的结构,硼原子很容易从邻近的共价键中夺取一个电子,形成一个带负电的离子。而在失去电子的共价键中形成一个空穴。在这种半导体中,空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。在P型半导体中,空穴是传递电流的主要带电粒子,被称为多数载流子;电子被称为少数载流子。 需要指出的是,N型和P型半导体都属于电中性,对外不显电性。这是由于单晶半导体和掺入的杂质都是电中性的,而且掺入的过程中既不丧失电荷也不从外界获取电荷,只是由于杂质原子的价电子数目比晶体原子的价电子
8、数目多一个或少一个,而使半导体中出现了可以运动的电子或空穴,并没有破坏整个半导体内正负电荷的平衡状态。,2. P型半导体,7.1 半导体的基础知识,现在结合图7.5来说明PN结的形成。在一块本征半导体的晶片上掺入不同的杂质形成不同类型的杂质半导体,在P型半导体中有多数的空穴和少数的电子,而N型半导体中有多数的自由电子和少数的空穴。,7.1.3 PN结的形成及特性,1. PN结的形成,如上所述,在纯净的半导体材料中经过掺入三价硼元素或五价磷元素可以形成两种不同类型的杂质半导体。当掺入3价硼元素时,形成以空穴为多数载流子的P型半导体;掺入5价磷元素时,形成以电子为多数载流子的N型半导体。如果在一块
9、本征半导体的晶片上掺入不同的杂质,使一边成为P型半导体,另一边成为N型半导体,则在两种不同类型的半导体的交界面处就会形成一个特殊的导电薄层,称为PN结。,7.1 半导体的基础知识,图7.5 硅单晶体掺杂示意图,7.1 半导体的基础知识,在了解了PN结的内部载流子运动规律后,就不难解释PN结在外部电源作用下所反映出来的重要特性,即单向导电特性。 (1)PN结外加正向电压 图7.6(a)所示,给PN结加上正向电压(也叫正向偏置),即外电源正极接PN结P区,负极接PN结N区。,2. PN结的导电特性,图7.6 PN结单向导电,7.1 半导体的基础知识,(2)PN结外加反向电压 如果给PN结外加一个反
10、向电压,也叫做反向偏置,即外电源正极接N区,负极接P区,如图7.6(b)所示。这时,外电场EF与内电场Ei的方向一致,加强了空间电荷区的电场强度。PN结的厚度比平衡时加宽,使多数载流子的扩散运动更难进行。 PN结加反向电压使空间电荷区的电场加强,更加有利于少数载流子的漂移运动。P区的少数载流子电子在电场作用下漂移到达N区,同样,N区的少数载流子空穴向P区漂移,形成漂移电流为IR。 由于少数载流子的浓度很小,即使它们全部漂移,其总漂移电流还是很小的,所以外加反向电压时,PN结的反向电阻很大,故称PN结反向截止。 (3)PN结的击穿特性 当反向电压达到一定数值时,由于外电场过强,会使反向电流急剧增
11、加,称为电击穿。此时对应的反向电压值称为击穿电压,发生击穿后,只要反向电压略有增加,就会使反向电流急剧增大。,7.2 半导体二极管,7.2.1 半导体二极管的结构,半导体二极管实际上是由一个PN结加上电极引线与外壳制成的,在PN结的P区和N区分别用引线引出,P区的引线称为阳极(或正极),N区的引线称为阴极(或负极),将PN结用外壳封装起来,便构成了晶体二极管,其结构和图形符号如图7.7所示。二极管文字符号用字母VD表示,图形符号中箭头所指的方向是正向导通的方向。 根据PN结接触面的大小不同,二极管有点接触型和面接触型两种类型。点接触型二极管的特点是PN结面积小,极间电容也小,不能承受较高的反向
12、电压和较大的正向电流,适用于高频、小电流的情况下。面接触型二极管使用合金或扩散工艺制成PN结,外加引线和管壳密封而成。它的特点是PN结面积大,可以承受比较大的电流,但是极间电容也大。适用于低频条件下,如整流电路等。,7.2 半导体二极管,图7.7 二极管的结构和符号,7.2 半导体二极管,7.2.2 半导体二极管的伏安特性,利用如图7.8所示的二极管两端的电压和流过二极管的电流的测试电路,可以测试出半导体二极管的电压与电流的关系,绘制成曲线如图7.9所示。该特性曲线叫做二极管的伏安特性曲线。,图7.8 二极管伏安特性曲线测试电路,7.2 半导体二极管,图7.9 二极管的伏安特性曲线,当二极管的
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