第7章半导体器件.ppt
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1、第7章 半导体器件,主要内容有:,作业,7.1 半导体的导电特性,半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间, 例如硅、锗、硒以及一些硫化物等都是半导体。,半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别,这是由半导体材料的原子结构和原子之间结合方式决定的。,纯净的半导体受到加热时,导电能力显著增加, 利用此特性可以做成热敏元件; 纯净的半导体受到光照时,导电能力明显提高, 利用此特性可以做成光敏元件; 在纯净半导体中掺入微量的“杂质”元素后, 导电能力大大增强,可成千上万倍地增长。,最常用的半导体材料:硅 Si(Silicon) 和锗 Ge(Germanium) 均为四价元素,原子最外层有4个价电子。,
2、一、 本征半导体(纯净半导体),这种纯净的、结构完整的单晶半导体称为本征半导体。,本征半导体的导电性:,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,在温度(T)一定时,载流子数量一定。当T时,载流子数量。,(3)价电子依次填补空穴,表现为带正电的空穴在原子间移动,因此, 空穴也是一种载流子。,(2)在室温下受热激发时,,(1)在绝对零度(T=0K)时, 不导电,相当于绝缘体;,产生电子空穴对,,半导体中有两种载流子:电子和空穴 它们同时参与导电,这就是半导体导电的重要特点, 也是与金属在导电机理上的本质差别。,自由电子,空穴,半导体的导电性能受温度影响很大。,Si,Si,Si,Si,
3、Si,Si,Si,Si,Si,共价键,二、 杂质半导体,:N型半导体和P型半导体,掺入微量的五价元素:磷P(或锑),1. N型半导体:,在室温下就可以激发成自由电子,施主原子,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,共价键,二、 杂质半导体,掺入微量的三价元素:硼B(或铝),2. P型半导体:,受主原子,空穴吸引邻近原子的价电子填充。,综上所述:,(1)本征半导体中加入五价杂质元素,便形成N型半导体。其中电子是多数载流子,空穴是少数载流子,此外还有不参加导电的正离子。 (2)本征半导体中加入三价杂质元素,便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子,电子是少数载流子,此外还有不参加导电
4、的负离子。 (3)杂质半导体中,多子浓度决定于杂质浓度,少子由本征激发产生,其浓度与温度有关。,1. 在杂质半导体中多子的数量与 (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。,3. 当温度升高时,少子的数量 (a. 减少、b. 不变、c. 增多)。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下,P 型半导体中的电流 主要是 ,N 型半导体中的电流主要是 。 (a. 电子电流、b.空穴电流),b,a,练习题:,7.2 PN结的形成及其单向导电性,一、PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,多子浓度差异,P 型半导体,N 型半导体,内电场越
5、强,漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变窄。,扩散越强, 空间电荷区越宽。,最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡时,便形成稳定的空间电荷区, 即PN 结。,形成空间电荷区,二、PN结的单向导电性,(1) PN 结加正向电压(正向偏置),PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱,多子的扩散加强,最后形成较大的扩散电流IF 。,PN 结加正向电压时,PN结变窄,有较大的正向扩散电流, PN 结呈现低电阻,即处于导通状态。,(2) PN 结加反向电压(反向偏置),P接负、N接正,PN 结变宽,(2) PN 结加反向电压(反向偏置),内电场被加强,少子的漂移加强,由于少子浓度很低,形成很小的反向电
6、流IR 。,IR,P接负、N接正,反向电流受温度影响较大,温度,反向电流 。,PN 结加反向电压时,PN结变宽,只有微弱的反向漂移电流, PN结呈高电阻,即处于截止状态。,综上所述,PN 结具有单方向导电特性。,一、基本结构,7.3.1 半导体二极管,按材料分:硅(Si)管和锗(Ge)管;,按工艺分:点接触型和面接触型;,符号:,(Diode),按用途分:整流管、稳压管、 开关管等。,型号:,2AP15,例如2CZ10,2CW18等。,半导体二极管实物图片,反向电流IR 在一定电压 范围内保持 常数。,二、 伏安特性,硅管约0.5V,锗管约0.1V。,反向击穿 电压UB,导通管压降,当正向电压
7、大于死区电压时,正向电流迅速增加,二极管处于导通状态。,当反向电压大于反向击穿电压时,二极管被击穿,造成永久性损坏。,正向特性,反向特性,特点:非线性,硅0.60.7V锗0.20.3V,死区电压U0,另外,伏安特性与温度T有关, 当T时,U0,UB, IR 。,二极管具有单向导电特性,1. 二极管加正向电压(正向偏置,阳极接正、阴极接负 )大于死区电压时, 二极管处于导通状态,二极管正向电阻较小,正向电流较大。 导通时管压降:硅0.60.7V;锗0.20.3V,2. 二极管加反向电压(反向偏置,阳极接负、阴极接正 )时, 二极管处于截止状态,二极管反向电阻较大,反向电流很小。当反向电压大于反向
8、击穿电压时,二极管被击穿,失去单向导电性。,问题1: 如何判断二极管的好坏及其正负极性?,问题2: 如何判断二极管的工作状态(导通还是截止)?,三、 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,指二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压URM,是保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压,一般是反向击穿电压UB的一半或三分之二。,3. 最大反向电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流愈小,说明管子的单向导电性愈好。 IRM受温度的影响很大,温度升高,反向电流显著增加。硅管反向电流较小(几微安),锗管的反向电流较大,为硅管的几十到几百倍。,四、应
9、用:,问题:如何判断二极管是导通还是截止?,分析方法:将二极管断开,分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 ),二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 ),二极管截止,若忽略管压降,则为理想二极管: 正向导通时,二极管相当于短路; 反向截止时,二极管相当于开路。,广泛地应用于整流、检波、限幅与削波、钳位与隔离 、元件保护以及开关电路中。,理想 二极管:,“开关特性”,判断二极管是导通还是截止?并计算 电压UAB ( 二极管正向压降忽略不计)。,忽略管压降,二极管可看作短路,UAB = 6V,例1:,取 B 点作参考点,断开二极管,分
10、析二极管阳极和阴极的电位。,V阳 =6 V , V阴 =12 V,V阳V阴 , 二极管导通。,若不是理想二极管, 则二极管为Ge管时, UAB为6.3; 二极管为Si 管时, UAB为6.7V 。,解:,两个二极管的阴极接在一起 (即共阴极电位),此时阳极与阴极的电位差大者,优先导通。,(b),在这里, D2 起钳位作用, D1起隔离作用。,解:, D2 优先导通,电压UAB = 0 V,设B点为电位参考点,则,D2导通后, V1阴 = 0 V, D1承受反向电压 , D1截止。,ui 8V时,二极管导通,D可看作短路 uo = 8V ui 8V时,二极管截止,D可看作开路 uo = ui,已
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