1、模块9 半导体器件模块9 半导体器件9.1 半导体基础知识半导体基础知识9.2 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性9.3 二极管二极管9.4 其他二极管其他二极管9.5 三极管三极管模块9 半导体器件近几十年来,电子技术发展非常迅速,应用也越来越广泛,目前已经成为现代科学技 术的重要组成部分。那么,究竟什么是电子技术?简单地说,电子技术就是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。半导体器件是各种分立、集成电子电路最基本的元器件。本模块只介绍常用的半导体 器件:二极管和三极管。学习的重点在于了解半导体器件的外部特性以及如何用于电路之 中,不深入讨论器件内部微观的物理过程及生产工艺。模块9
2、半导体器件能力要素能力要素(1)理解二极管的单向导电性,能够对整流、检波、限幅、钳位、隔离等电路进行分析。(2)能够对普通、稳压、发光二极管电路进行数值计算。(3)能够对三极管的工作状态进行判断。(4)能够将三极管的放大及开关特性应用于电路中。模块9 半导体器件知识结构知识结构模块9 半导体器件9.1 半导体基础知识半导体基础知识9.1.1 本征半导体本征半导体 完全纯净的、晶格完整的半导体称为本征半导体。如图9.1.1所示,硅是四价元 素,每个硅原子外围有四个电子,硅原子之间形成了八电子稳定结构,每两个电子形成硅 单晶中的共价键结构,共价键中的两个电子称为价电子。模块9 半导体器件价电子获得
3、一定能量(受到光照、温度升高、电磁场激发)后,可挣脱原子核的束缚,成为自由电子,简称电子,带负电。同时,在原来的共价键中留下一个空位,称为空穴,带 正电,这就是本征激发。自由电子和空穴统称为载流子。能量越高,晶体中产生的载流子 越多。在外电场的作用下,价电子填补空穴的同时,又产生新的空穴,好像空穴在运动(相 当于正电荷移动)。在本征半导体中,本征激发使空穴和自由电子成对产生;它们相遇复合 时,也成对消失。当温度一定时,激发和复合动态平衡。本征半导体虽存在一定数目的载流子,但是数量相对较少,其导电能力较弱。模块9 半导体器件图9.1.1 本征半导体模块9 半导体器件9.1.2 杂质半导体杂质半导
4、体 本征半导体的电阻率较大且对温度变化十分敏感,同时因其只有少量的载流子,导电 能力较弱,因此不宜在半导体器件制造中直接使用。如果在本征半导体内部掺杂某些元 素,就可以提升半导体的导电性能,这种半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同,分为 N 型半导体和 P型半导体。模块9 半导体器件1.N型半导体型半导体 如图9.1.2(a)所示,在本征半导体中掺入五价元素磷(P)后,磷原子外围有五个价电 子,与硅形成八电子稳定结构后,会有一个多余价电子,该价电子在常温下即为自由电子,但并不同时产生空穴。磷原子因失去一个价电子成为正离子。掺入的杂质密度足够大时,有大量的自由电子产生,电子是多数载流子,简称
5、多子。电子带负(negative)电,所以称这 种半导体为 N 型半导体或电子型半导体。N 型半导体中还有少量本征激发产生的空穴,是 少数载流子,简称少子。模块9 半导体器件2.P型半导体型半导体 如图9.1.2(b)所示,在本征半导体中掺入三价元素硼(B)后,硼原子只有三个价电子,在构成八电子稳定结构时,因缺少一个电子而产生一个空位。当相邻原子的价电子受到激发时,就有可能填补这个空位,而在相邻原子中便产生了一个空穴。因此这种杂质半导体的 多子是空穴,因空穴带正(positive)电,所以称为P型半导体或空穴型半导体,其少子为电子。模块9 半导体器件图9.1.2 杂质半导体模块9 半导体器件9
6、.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性1.PN结结 将一块本征半导体掺杂成左右不同的两部分,如图9.2.1所示,左侧形成P 型半导体,右侧形成 N 型半导体。由于 P型与 N 型半导体中的多子存在浓度 差,使多子相互扩散,通过交界面到达对方,并与对方的多子复合,因此在交界面两侧形成 了不能移动的离子区,称为空间电荷区,即 PN 结。模块9 半导体器件图9.2.1 PN 结的形成示意图模块9 半导体器件2.PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结外加正向电压,称之为正向偏置(正偏),即 P 接正,N 接负,如图9.2.2(a)所 示。正向偏置时,PN 结内电场被削弱,多子的扩散加强,形成较
7、大的扩散电流,这时 PN 结呈现低电阻,处于导通状态。模块9 半导体器件图9.2.2 PN 结的单向导电性模块9 半导体器件当PN 结加反向电压时,称之为反向偏置(反偏),即P接负,N 接正,如图9.2.2(b)所 示。内电场被加强,空间电荷区变宽,少子的漂移运动加强,这时PN 结呈现高电阻,处于 截止状态。由于少子数量很少,形成很小的反向电流(漂移电流),此即为 PN 结的单向导 电性。模块9 半导体器件9.3 二二 极极 管管将 PN 结加上相应的电极引线及管壳后,就成为了二极管。常见的二极管外形及符号 如图9.3.1所示。模块9 半导体器件图9.3.1 二极管外形和符号模块9 半导体器件
8、按结构分,二极管可分为以下几种:(1)点接触型:结面积小、结电容小、正向电流小,适用于高频和小功率工作,也用作 数字电路中的开关元件(一般为锗管,如国产2AP型)。(2)面接触型:结面积大、结电容大、正向电流大,适用于低频整流电路(一般为硅管,如国产2CZ型)。(3)平面型:结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。模块9 半导体器件9.3.1 伏安特性伏安特性 二极管所加电压与流过电流之间的关系称为其伏安特性,如图9.3.2所示。(1)二极管正向偏置:当正向电压很小时,外电场能力不够强,无法克服内电场对多 子扩散的阻力,所以二极管并未真正导通,正向电流很小。当正向电压超过一定数值后,电流增长
9、很快,这个一定数值的电压称为死区电压,其大小与材料及环境温度有关。通常 硅管的死区电压约0.5V,锗管的约为0.1V。图9.3.2 二极管伏安特性模块9 半导体器件(2)当正向电压大于死区电压后,正向电流迅速增大,二极管真正导通,曲线比较陡。在正常工作范围之内,二极管两端的电压几乎稳定不变,称为通态电压,硅管约0.60.8V,锗管约0.20.3V,而二极管的正向电流则由外部电路决定。这一状态体现了二极管的正 向稳压作用。(3)当二极管反向偏置时,外电场和内电场同向,少子的漂移形成了很小的反向电流。反向电流在一定电压范围内保持常数,称为反向饱和电流,此时二极管处于截止状态。模块9 半导体器件(4
10、)当外加反向电压大于某一电压值后,反向电流迅速增大,二极管失去单向导电性,二极管被击穿,这一电压称为反向击穿电压。从图9.3.2可以看出,二极管被反向击穿后,电压基本保持不变,而电流则由外部电路决定。这一状态体现了二极管的反向稳压作用。模块9 半导体器件图9.3.2 二极管伏安特性模块9 半导体器件9.3.2 主要参数主要参数 1.最大整流电流最大整流电流IOM 最大整流电流指二极管长期使用时,允许流过的最大正向平均电流。2.反向击穿电压反向击穿电压 UBR 反向击穿电压指二极管能承受的最高反向电压,超过后将导致二极管被击穿。这一电 压值与温度有关。二极管击穿后单向导电性被破坏,甚至会由于过热
11、而烧坏。模块9 半导体器件3.反向工作峰值电压反向工作峰值电压 URWM 反向工作峰值电压指保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是二极管反向 击穿电压UBR的一半或三分之二。4.反向峰值电流反向峰值电流IRM 反向峰值电流指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流越小,说明二 极管单向导电性越好。IRM 会受温度影响,温度越高,反向电流越大。硅管的反向电流较 小,锗管的反向电流较大,为硅管的几十到几百倍。模块9 半导体器件几种常用国产二极管的型号及主要参数如表9.3.1所示。模块9 半导体器件9.3.3 二极管的应用二极管的应用 由于二极管具有单向导电性,因此可用于整流、检波、
12、限幅、钳位、隔离和保护元件 等,也可在数字电路中作为开关元件。实际的二极管应考虑通态电压,而理想二极管的通 态电压为零,反向电流为零。在本节中,均认为二极管为理想二极管。分析方法:将二极管断开,若V阳 V阴,则二极管导通;反之,二极管截止。模块9 半导体器件模块9 半导体器件图9.3.3 整流电路及其波形模块9 半导体器件2.限幅电路中的应用 限幅电路如图9.3.4(a)所示,已知ui=18sintV,则输出电压uo波形如图9.3.4(b)所示。分析:二极管阴极电位为 8V,阳极电位为ui。若ui8V,则二极管导通,可视为短 路,uo=8V;若uiVB,VDA 优先导通(正向压差最大的二极管导
13、通),使 VY=3V,VDA起箝位作用。此时,VBUBR(CEO)时,ICEO突然大幅上升,此时三极管已被击穿。模块9 半导体器件4.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 三极管集电极上允许的最大功率损耗称为集电极最大允许耗散功率:PCM 取决于三极管允许的温升,消耗功率过大、温升过高会损坏三极管。PCM 限制了三 极管的线性工作区。几种常用三极管的型号及主要参数如表9.5.1所示。模块9 半导体器件模块9 半导体器件【专9.2】参考本次课内容,构建 PNP型三极管放大电路,讨论其工作过程。【练9.4】电路如图9.5.4所示,测得IC=3mA,IE=3.06mA,求IB和各为多
14、少?【练9.5】测得某电路板上三极管三个电极对地的电位分别为VE=3V,VB=3.7V,VC=3.3V,推测该管是硅管还是锗管?工作在什么状态?模块9 半导体器件【练9.6】声光报警电路如图1所示,正常情况下,A 端电位为0;若前接装置发生故 障时,A 端电位上升至5V。分析其工作原理,并说明各个元件的作用。图1 练9.6的电路模块9 半导体器件某电厂宿舍楼要求设计一自动关灯电路(用于走廊或楼道照明),满足条件如下:(1)按下按钮(SB),220V 照明灯 EL点亮,经过一定时间自动熄灭;(2)使用三极管作为自动通断控制元件;(3)使用直流继电器作为电磁吸合器件。请查阅资料,设计相关电路并选择元器件。
