常用半导体器件

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范围的光,目前的 发光管可以发出从 红外到可见波段的 光,它的电特性与
一般二极管类似。
§1.3 双极型晶体管
1.3.1 晶体管的结构及类型
NPN型
C
集电极 集电极
C P N P E
PNP型
B
基极
N P N
E
发射极
B
基极
发射极
集电区: 面积较大
C N P N E
集电极
B
基极
基区:较薄, 掺杂浓度低
N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体, 也称为(电子半导体)。 P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也 称为(空穴半导体)。
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 (或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子, 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键, 必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚, 很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子,称为施主原子。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是: P区 加负、N 区加正电压。
一、PN 结正向偏置
变薄 - + + + + 内电场被削弱,多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
+ P
- - -
_
N
外电场
内电场
R
E
二、PN 结反向偏置 变厚
- + + + + 内电场被被加强,多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强,但少子数量有 限,只能形成较小的反 向电流。 +
- - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽,空间电 荷区越宽。
空间电荷区, 也称耗尽层。
扩散运动
漂移运动 P型半导体 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + 内电场E
半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有 不同于其它物质的特点。例如: • 当受外界热和光的作用时,它的导电能
力明显变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使
它的导电能力明显改变。
2) 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
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。
1.2.4 二极管的等效电路
1)微变电阻 rD
rD 是二极管特性曲线上工 作点Q 附近电压的变化与 ID 电流的变化之比:
iD
Q
iD
u D rD iD
显然,rD是对Q附近的微小 变化区域内的电阻。
uD
UD
uD
2) 二极管的极间电容
二极管的两极之间有电容,此电容由两部分组成: 势垒电容CB和扩散电容CD。
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼 (或铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的 半导体原子形成共价键时, 空穴 产生一个空穴。这个空穴 +4 可能吸引束缚电子来填补, 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。由于硼 +3 原子接受电子,所以称为 硼原子 受主原子。
RL
uo uo
t
t
二极管的应用举例2: ui
ui
R
uR
RL uo
uR
t
t
uo
t
1.2.5 稳压二极管
+
动态电阻:
曲线越陡, 电压越稳 定。 UZ
I
rZ
U Z I Z
稳压 误差 UZ
IZ IZ
U
rz越小,稳 压性能越好。
IZmax
稳压二极管的参数:
(1)稳定电压 UZ (2)电压温度系数U(%/℃) 稳压值受温度变化影响的的系数。 (3)动态电阻
P
-
N
+
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时,由于载流子数目很少,扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路:
rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
二极管:死区电压=0 .5V,正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管:死区电压=0 ,正向压降=0
二极管的应用举例1:二极管半波整流
ui ui
多余 电子
+4 +5
+4
磷原子
+4
N 型半导体中 的载流子是什 么?
1、由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。
二、P 型半导体
B RB EB IB
求:电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解:令输入电压达到上限时,流过稳压管的电 流为Izmax 。
U ZW i I zmax 25mA RL 1.2ui iR U zW 25R 10
——方程1
令输入电压降到下限 时,流过稳压管的电 流为Izmin 。
U ZW i I zmin 10mA RL
近似认为多子与杂质浓度相等。
1.1.3 PN 结
1)PN结的形成
在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导 体和N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的 交界面处就形成了PN 结。
内电场越强,就使漂移 运动越强,而漂移使空 间电荷区变薄。 P型半导体
漂移运动 内电场E N型半导体
- - - - - -
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大,说明管子的单向导电性 差,因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响,温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小,锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数,二极管的应用是 主要利用它的单向导电性,主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。
N型半导体
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡, 扩散运动 相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚 度固定不变。
电位V
- - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
势垒电容:势垒区是积累空间电荷的区域,当电压变化时, 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,这样所表现出 的电容是势垒电容。 扩散电容:为了形成正向电流 (扩散电流),注入P 区的少子 (电子)在P 区有浓度差,越靠 近PN结浓度越大,即在P 区有电 子的积累。同理,在N区有空穴的 积累。正向电流大,积累的电荷 多。这样所产生的电容就是扩散 电容CD。
反向击穿 电压UBR
wk.baidu.com
U
1.2.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM
二极管长期使用时,允许流过二极管的最大 正向平均电流。
2. 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 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 压UWRM一般是UBR的一半。
+4 +4表示除 去价电子 后的原子
+4
共价键共
用电子对
+4 +4
形成共价键后,每个原子的最外层电子是 八个,构成稳定结构。
+4 +4
共价键有很强的结合力,使原子规 则排列,形成晶体。
+4
+4
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为 束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以 本征半导体的导电能力很弱。
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强,温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素,这是半导体的一 大特点。
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
EC
E
IC=ICE+ICBOICE
集电结反偏, 有少子形成的 反向电流ICBO。 B
C
ICBO
RB EB
ICE N P IBE N IE
E
从基区扩 散来的电 子作为集 电结的少 子,漂移 EC 进入集电 结而被收 集,形成 ICE。
IC=ICE+ICBO ICE C
IB=IBE-ICBOIBE
+4
+4
P 型半导体中空穴是多子,电子是少子。
三、杂质半导体的示意表示法
- - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体
- - - - - - P 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。
发射区:掺 杂浓度较高
发射极
C N P N
集电极
集电结
B
基极
发射结
E
发射极
1.3.2 晶体管的电流放大作用
基区空穴 向发射区 的扩散可 忽略。 进入P区的电子 RB 少部分与基区的 空穴复合,形成 电流IBEEB ,多数 扩散到集电结。
C B
IBE
N P N IE
发射结正 偏,发射 区电子不 断向基区 扩散,形 成发射极 电流IE。
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4 束缚电子
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下, 空穴吸引附近的电子 来填补,这样的结果 相当于空穴的迁移, 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动,因此 可以认为空穴是载流 子。
本征半导体中电流由两部分组成:
_ P
- - -
N
内电场 外电场
R
E
§1.2 半导体二极管
1.2.1 基本结构
PN 结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。 点接触型
触丝线
PN结
引线
外壳线
基片
面接触型
二极管的电路符号:
P
N
1.2.2
伏安特性
I
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
V0
- - - - - -
P型区
空间 电荷 区
N型区
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子(都是多子)向对方运动(扩散 运动)。 3、P 区中的电子和 N区中的空穴(都是少), 数量有限,因此由它们形成的电流很小。
2) PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是: P 区 加正、N 区加负电压。
二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有 可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电 能力为 0,相当于绝缘体。 在常温下,由于热激发,使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电 子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。
i ui
R DZ
iL iZ
RL
uo
0.8ui iR U zW 10R 10
——方程2
联立方程1、2,可解得:
ui 18.75V, R 0.5k
1.2.6 其他二极管 1)光电二极管
反向电流随光照强度的增加而上升。
I U
照度增加
2) 发光二极管
有正向电流流过
时,发出一定波长
Ge
Si
通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。
本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成 晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心, 而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子 与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价 电子。
硅和锗的晶 体结构:
硅和锗的共价键结构
模拟电路
第一章
常用半导体器件
1
第一章 常用半导体器件
§ 1.1 半导体基础知识
§ 1.2 半导体二极管
§ 1.3 双极型晶体管
§ 1.4 场效应管
§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 本征半导体 1)导体、半导体和绝缘体
导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属 一般都是导体。
绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
rZ
U Z I Z
(4)稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 (5)最大允许功耗
PZM U Z I Z max
稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数: U zW 10V, I zmax 20mA, I zmin 5mA
i ui
R DZ
iL
iZ
RL
uo
负载电阻 RL 10k。要求当输入电压由正常值发 生20%波动时,负载电压基本不变。
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