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1、电工电子技术项目项目五电子课件项目五项目五 半导体元器件及其特性半导体元器件及其特性任务二 电路的基本物理量的计算与测量任务一半导体原理分析任务二半导体二极管的特性分析技能训练技能训练二极管参数的测量技能训练三极管参数的测量任务三半导体三极管的特性分析一、半导体的分类自然界中的各种物质，按导电能力划可分为分为导体、绝缘体和半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间，并根据半导体材料最外层轨道上的电子都是4个，可以将半导体材料分成以下五类。1.元素半导体元素半导体大约有十几种，处于AA族的金属与非金属的交界处，如Ge（锗）、Si（硅）、Se（硒）、Te（碲）等。任务一半导体原理分析2.化合物半导
2、体1）二元化合物半导体（1）A族和A族元素组成的化合物半导体。即Al(铝)、Ga（镓）、In（铟）和P（磷）、As（砷）、Sb（锑）组成的9种化合物半导体，如AsP、AlAs、GaP等。（2）B族和A族化合物半导体，即Zn、Hg、Cd和S、Se、Te组成的12种化合物半导体，如CdS、CdTe等。（3）A族元素之间组成的化合物半导体，如SiC等。（4）A与A族化合物半导体，如GeS、GeSe、SnTe等共9种。（5）A和A族元素组成的化合物半导体，如AsSe3等。2）多元化合物半导体（1）B A（A）2组成的多元化合物半导体，如AgGeTe2等。（2）B A（A）2组成的多元化合物半导体，如A
3、gAsSe2等。（3）（B）2-B A（A）4组成的多元化合物半导体，如Cu2CdSnTe4等。任务一半导体原理分析3.固溶体半导体固溶体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物互溶而成，有二元系和三元系之分，如AA组成的GeSi固溶体，AA组成的BiSb固溶体。由三种组元互溶的固溶体有：（AA）（AA）组成的三元化合物固溶体，如GaAsGaP组成的镓砷磷固溶体和（BA）（BA）组成的，如HgTeCdTe两个二元化合物组成的连续固溶体碲镉汞等。4.非晶态半导体原子排列短程有序、长程无序的半导体称为非晶态半导体，主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素半导体及GeTe、As2Te3、Se
4、2As3等非晶化合物半导体。5.有机半导体有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳碳双键有机化合物。任务一半导体原理分析二、本征半导体和掺杂半导体1.本征半导体纯净而且结构完整的半导体称为本征半导体，它未经人为的改造，具有这种元素本来的特征。硅和锗都是晶体结构，即可成为纯净的、结构完整的单晶体。在单晶体中，各原子的间距很小，各个价电子不再只绕着自身的原子核运动，同时绕着相邻的原子核运动，每一个原子的外围电子被共价键所束缚，不能自由移动，从而在绝对零度时，使半导体的所有原子通过共价键的作用，紧密地结合在一起，形成一个坚固的晶体。任务一半导体原理分析在绝对
5、零度时，半导体所有的价电子都被束缚在共价键中，不能参与导电。此时半导体相当于绝缘体。当温度逐渐升高或受光照时，由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧，价电子从外界获得一定的能量，少数价电子会挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原共价键处出现一个空位，这个空位称为空穴。显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为电子空穴对。把在热或光的作用下，本征半导体中产生电子空穴对的现象，称为本征激发，又称为热激发，从而本征半导体中有自由电子和空穴两种载流子，如图51所示。本征半导体在电场作用下，两种载流子的运动方向相反，而形成的电流方向相同。图51本征激发任务一半导体原理分析2.掺杂半导
6、体在本征半导体中，掺入微量的五价或三价元素，会使其导电性能发生显著变化。掺入的五价或三价元素称为杂质。掺有杂质的半导体称为掺杂半导体或杂质半导体，按掺入杂质元素的不同，掺杂半导体有N 型半导体和P 型半导体两种。1）N型半导体在本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷、砷、锑等，就形成了N型半导体。由于掺入的五价元素微量，所以半导体的晶体结构基本不变，只是在个别的位置上，某个硅（或锗）原子被五价原子取代，如图52(a)所示。五价原子有五个价电子，它与相邻的四个硅（或锗）原子构成完整的共价键后，还剩余一个价电子。这个剩余的价电子在获得外界能量时，其他共价键上的电子更容易脱离原子核的束缚而成为自由电子
7、，从而显著提高了其导电能力。在本征半导体中掺入五价元素后，热激发照样进行。因此，当达到平衡状态时，自由电子的浓度就远远大于空穴的浓度，其导电能力主要由自由电子决定，即这种半导体属于电子导电型半导体，故称为N型半导体。在N型半导体中，自由电子称为多数载流子，简称多子；空穴称为少数载流子，简称少子。任务一半导体原理分析图5-2掺杂半导体任务一半导体原理分析2）P型半导体在本征半导体中掺入微量的三价元素，如硼、铝、锢等，就形成了P型半导体。由于掺入的三价元素微量，所以半导体的晶体结构基本不变，只是在个别位置上，某个硅（或锗）原子被三价原子取代，如图5-2(b)所示。三价原子只有三个价电子，它与相邻的
8、四个硅（或锗）原子只能构成三个完整的共价键，还有一个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位。常温下，所有的价键电子都具有足够的能量来填补这个空位，从而产生一个空穴，因而它在外界能量作用下也更容易夺取相邻原子的电子，这种半导体中就有大量的空穴，从而显著提高了其导电能力。在本征半导体中掺入三价元素后，热激发照样进行。因此，当达到平衡状态时，空穴的浓度就远远大于自由电子的浓度，其导电能力主要由空穴决定，即这种半导体属于空穴导电型半导体，故称为P型半导体。在P型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载流子。任务一半导体原理分析三、PN结及其单向导电性1.PN结的形成P型半导体或N型半导体的导电能
9、力虽然大大增强，但是并不能直接用来制造半导体器件。通常在一块完整的晶片上，通过一定的掺杂工艺，一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体。则在两者的交界处，会形成一个特殊的区域，称之为PN结。PN结是构成半导体器件的基本单元。当P型半导体与N型半导体紧密地结合在一起时，由于在交界面两侧，空穴与自由电子都存在很大的浓度差。因此，两者都必将产生扩散运动，P区的多子空穴向N区扩散，并且与N区的自由电子复合；N区的多子自由电子向P区扩散，并且与P区的空穴复合，如图5-3(a)所示。任务一半导体原理分析这样在P区一侧就因失去空穴而留下不能移动的负离子，而在N区一侧就因失去自由电子而留下不能移动的正离子，这
10、些离子被固定排列在晶格里，不能移动，所以它们并不参与导电，这样在交界面两侧就形成一个空间电荷区，并产生内建电场或势垒电场，其方向由N区指向P区，如图5-3(b)所示。内建电场的产生阻碍了多子的扩散运动，而多子的扩散又逐渐增强内建电场。所以多子的运动会逐步减弱，直至停止，使交界面形成一个稳定特殊的薄层，即PN结。图5-3PN结的形成任务一半导体原理分析2.PN结的单向导电性在PN结的两端外加电压，称为给PN结以偏置电压。PN结的偏置方式不同，表现出的特性也就不同。1）PN结的正向偏置给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时称PN结为正向偏置，简称正偏，如图5-4(a)所示。
11、PN结正偏时，由于外加电源产生的外加电场方向与内建电场方向相反，使内建电场的一部分被抵消，空间电荷区变窄，对多子扩散的阻碍作用减弱。因此，PN结两边的多子，在浓度差的作用下作扩散运动，穿过空间电荷区形成正向电流IF，此时PN结处于正向导通状态。图5-4PN结的单向导电性任务一半导体原理分析2）PN结的反向偏置给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源负极，此时称PN结为反向偏置，简称反偏，如图5-4(b)所示。PN结反偏时，由于外加电源产生的外加电场方向与内建电场方向相同，使内建电场加强，空间电荷区变宽，对多子扩散的阻碍作用增强，多子的扩散运动被阻止，不能参与导电。但在增强的内建电场
12、作用下，会推动PN结两边的少子做漂移运动，穿越空间电荷区，然后在外加电源的作用下流出外电路，形成反向电流IS。由于少子浓度很低，所以由此形成的反向电流很小，通常可以忽略不计。PN结的这种工作状态称为反向截止状态。应当指出，PN结中少子由热激发产生，温度的变化会使少子的浓度发生变化，因此，少子所形成的反向电流的大小会随温度变化而变化。综上所述，PN结具有单向导电性，即加正向电压时导通，加反向电压时截止。任务一半导体原理分析任务二半导体二极管的特性分析一、二极管的结构在形成PN结的P型半导体和N型半导体上，分别引出两根金属引线，并用外壳封装起来，就制成了半导体二极管。由P区引出的线称为阳极（或正极
13、），由N区引出的线称为阴极（或负极），如图5-5(a)所示。二极管的电路符号和文字符号如图5-5(b)所示。图5-5二极管的结构二极管按结构分可分为点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管三类。点接触型二极管的结构如图5-6(a)所示。它的特点是PN结的面积非常小，因此不能通过大电流，但高频性能好，故适于高频和小功率工作，一般用于小功率整流、高频检波和脉冲电路。面接触型二极管的结构如图5-6(b)所示。它的主要特点是PN结的结面积很大，故可通过较大的电流，但工作频率低，主要应用于整流。近期由于电子产品的微型化和轻量化，片状的贴片元器件发展极为迅速，此类器件为无引线或短引线微型元器件，可直接
14、安装于印刷电路板表面，在微型手录放机、移动手录放机、移动通信设备、高频电子仪器设备、微型计算机等领域得到广泛应用。平面型二极管的结构如图5-6(c)所示。它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。图5-6三类不同结构的二极管任务二半导体二极管的特性分析二、二极管的伏安特性半导体二极管的核心是PN 结，它的特性就是PN 结的特性单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。所谓伏安特性，是指二极管两端电压和流过二极管电流的关系。若以电压为横坐标，电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来，就构成二极管的伏安特性曲线，如图5-7
15、所示（图中实线为硅管的伏安特性，虚线为锗管的伏安特性），下面对二极管的伏安特性曲线加以说明。图5-7二极管的伏安特性任务二半导体二极管的特性分析由图5-7可见，当外加电压很小时，由于外电场还不能克服内建电场对扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，电流增长很快。这个一定数值的正向电压称为死区电压（或门槛电压），其大小与管子的材料及环境温度有关。一般硅管的死区电压约为0.5 V，锗管约为0.2-V。当正向电压超过死区电压时，正向电流就会急剧地增大，二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.60.7 V，锗管约为0.20.3 V。二极管上加反向电压
16、时，由于少子的漂移运动形成很小的反向电流。在开始时的很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称为反向饱和电流。如果二极管反向电压继续增加到一定数值时，反向电流急剧增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为二极管的反向击穿电压。由于二极管的核心是一个PN结，它的导电性能与温度有关，温度升高时二极管正向特性曲线向左移，正向压降减小；反向特性曲线向下移动，反向电流增大。同时，用不同材料和不同工艺制造的二极管，它们的伏安特性虽然有差异，但伏安特性曲线的形状却是相似的。任务二半导体二极管的特性分析三、二极管的主要参数二极管的特性除用伏
17、安特性表示外，还可以用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。在工程上必须根据二极管的参数，合理地选择和使用二极管，才能充分发挥每个二极管的作用。1.最大整流电流IFM最大整流电流是指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。2.最大反向电压URM最大反向电压是指二极管正常工作时，保证二极管不被击穿而给出的最高反向工作电压，通常是反向击穿电压的一半左右。3.反向饱和电流IR反向饱和电流是指在规定的反向电压和室温下，二极管未被击穿时的反向电流，其值越小，说明二极管的单向导电性能越好。4.最高工作频率fM最高工作频率是指二极管正常工作时的上限频
18、率值，它的大小与PN结内建电场的结电容有关，超过此值，二极管的单向导电性能变差。任务二半导体二极管的特性分析技能训练二极管参数的测量一、实验目的（1）掌握半导体二极管伏安特性的测试方法。（2）学习电压表、电流表、稳压源以及数字万用表的使用方法。二、实验器材（1）二极管1N4007；（2）电压表、电流表、稳压源以数字及万用表；三、实验原理1.二极管的正负极一般二极管有色圆环标志的一端是负极，也可使用数字万用表的二极管检测挡。若二极管是好的，并且表上显示二极管的正向直流压降（通常零点几），此时红色表笔接二极管的正极，黑色表笔接负极时；反之，若显示值为“1.”，则红表笔接负极，黑表笔接正极。2.二极
19、管的伏安特性二端元件的特性，可用元件两端的电压和通过元件的电流之间的关系来表示。这种关系称为元件的伏安特性。半导体二极管是一个非线性电阻元件，其伏安特性曲线如图5-8所示。二极管的单向导通特性明显，加正偏电压导通；加反偏电压截止。同时，加正偏电压并不是立刻导通，必须大于门限电压才有电流。技能训练二极管参数的测量图5-8二极管伏安特性曲线技能训练二极管参数的测量四、实验内容电路设计为能够对二极管施加正向电压或反向电压，实验通过测量特殊点将二极管的正向及反向特性描述出来。图5-9（a）测试的是二极管的正向特性。确定接线无误后，接通稳压电源。将输出电压调到2-V，然后调节电阻R，来改变二极管的两端电
20、压以及流过的电流值。使电压值分别为表1.1所列数值，并将所得的电流值记入表中。为了突出曲线弯曲部分，可以在特性曲线弯曲部分多取几个点。图5-9二极管的测试电路图技能训练二极管参数的测量U（V）0.20.40.60.812I（mA）表1.1正向特性数据表技能训练二极管参数的测量图5-9（b）测试的是二极管的反向特性。由于流过的反向电流很小，所以选用微安表。按照图5-9（b）接好二极管的反向特性测试电路，确定接线无误后，接通稳压电源。然后调节电阻R，使电压值分别为表1.2所列数值，并将所得的电流值记入表1.2中。U（V）51015202530I（A）表1.2反向特性数据表技能训练二极管参数的测量五
21、、实验报告（1）根据表1.1、表1.2的数据绘制伏安特性曲线图。（2）根据绘制伏安特性曲线图读取二极管的正向导通电压。技能训练二极管参数的测量半导体三极管又称为晶体三极管（简称三极管），也称为双极结型晶体管，由两个PN结和三个电极组成。这两个PN结工作时相互联系、相互影响，使三极管体现出完全不同于二极管的特性。在电子电路中既可作为放大元件，也可作为开关元件，应用非常广泛。任务三半导体三极管的特性分析任务三半导体三极管的特性分析一、三极管的结构与分类1.三极管的结构半导体三极管的类型很多，不管结构如何，其基本原理都相同。每个半导体三极管都有两个PN结：发射结和集电结。根据P型和N型半导体组合方式
22、的不同，可分为NPN型和PNP型两种类型。三极管的结构和符号如图5-10所示。图5-10三极管的结构和符号无论NPN型还是PNP型三极管都有三个区：发射区、基区和集电区。从这三个区可引出三个电极：发射极e、基极b和集电极c。发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。发射极的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向，根据这个箭头方向可以判断三极管的类型，即箭头向外的为NPN型，反之为PNP型。三极管发射区的掺杂浓度较高，基区的掺杂浓度较低且很薄，一般只有几微米至几十微米厚，集电区的面积较大，且掺杂浓度较发射区低，因此发射极和集电极不可调换使用。常用三极管外形如图5-1
23、1所示。图5-11常用三极管的外形 任务三半导体三极管的特性分析2.三极管的分类三极管依据制造材料的不同可分为硅管和锗管两大类，硅管的稳定性较好，受温度影响小,锗管受温度影响大。对应的型号分别为锗PNP（3A系列）、锗NPN（3B系列）、硅PNP（3C系列）、硅NPN（3D系列）。目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）。依据功率不同三极管可分为大功率管（耗电功率1 W）、中功率管、小功率管（耗电功率1 W）。依据工作频率的不同，三极管可分为高频管（fM3 MHz）和低频管（fM3 MHz）。依据用途不同三极管可分为普通放大三极管和开关三极管。任务三半导体三极管
24、的特性分析3.三极管的基本连接方式三极管有三个极，在组成基本放大电路时有一个极作为输入端，一个极作为输出端，还有一个极作为输入、输出的公共端。其中发射极作为公共端的称为共发射极接法，基极作为作为公共端的称为共基极接法，集电极作为公共端的称为共集电极接法。任务三半导体三极管的特性分析二、三极管的工作原理和伏安特性1.工作原理为了定量分析三极管的电流分配关系和放大原理，下面先介绍一个实验，实验电路如图5-12所示。电路中用三只电流表分别测量三极管的集电极电流IC、基极电流IB和发射极电流IE，它们的方向如图中箭头所示。基极电源UBB使发射结承受正向偏置电压UBE，集电极电源UCCUBB，使集电结承
25、受反向偏置电压，这样可以使三极管能够具有正常的电流放大作用。图5-12三极管的实验电路任务三半导体三极管的特性分析调节滑动变阻器RB，可以改变基极上的偏置电压UBE，从而基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE会发生变化，每取得一个IB值，就有一组IC和IE值与之对应。该实验所取得的数据见表6-1。任务三半导体三极管的特性分析将表中数据进行分析如下。每一组数据都具有以下关系：IE=IC+IB,即发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。这符合基尔霍夫电流定律，流入三极管的电流之和等于流出三极管的电流之和。在NPN管中，IB与IC为流入电流，IE为流出电流；在PNP管中，IE为流入电流，IB与
26、IC为流出电流。当基极电流IB从20 A变化到30 A时，集电极电流IC随之从1.28 mA变化到1.88 mA，这两个变化量相比，=（1.88-1.28）mA/（0.03-0.02）mA=60，称为三极管的电流放大系数，这说明此三极管集电极电流IC的变化量是基极电流IB的变化量的60倍。可见基极电流IB虽然很小，但它使集电极电流IC发生了更大的变化，即基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC的较大变化，这就是三极管的电流放大作用。但是要注意的是，在三极管放大作用中，被放大的集电极电流IC是电源提供的，并不是三极管自身制造或生成了能量，它实际是用小的信号控制大的信号的一种能量控制作用。三极管
27、内部载流子运动规律如图5-13所示。图5-13三极管内部载流子运动规律任务三半导体三极管的特性分析要使三极管具有放大作用，必须要有合适的偏置条件，即发射结正向偏置，集电结反向偏置。具体来说，对于NPN型三极管，集电极电压必须高于基极电压，基极电压又高于发射极电压，即UCUBUE；而对于PNP型三极管，则与之相反，即UCUBICM时，值会下降，导致输出信号失真，若电流过大，会导致三极管损坏。（2）集电极发射极反向击穿电压U（BR）CEO。U（BR）CEO指基极开路时，集电极、发射极之间所能承受的最大反向电压。当UCEOU（BR）CEO时，iC、iE急剧上升，三极管可能因集电结反向击穿而损坏。普通
28、三极管的U（BR）CEO一般为1030 V。（3）集电极最大允许耗散功率PCM。集电极电流流过集电结时会产生热量，使集电结的结温升高。当硅管的结温大于150，锗管的结温大于70 时，管子明显变坏，甚至烧坏。任务三半导体三极管的特性分析技能训练三极管参数的测量一、实验目的（1）学会测量三极管的输入特性、输出特性及主要参数。（2）熟悉晶体管图示仪的面板装置及其操作方法。二、实验器材（1）晶体管图示仪一台（2）三极管若干晶体管特性图示仪是由集电极扫描电压发生器、基极阶梯信号发生器、同步脉冲发生器、X放大器和Y放大器、示波管及控制电路、电源电路几部分组成，其基本组成原理框图如图5-16所示。三、实验原
29、理图5-16晶体管特性图示仪原理框图技能训练三极管参数的测量四、实验内容图5-17晶体管特性图示仪面板结构技能训练三极管参数的测量1.熟悉晶体管图示仪面板结构2.晶体管特性图示仪的使用方法：（1）开启电源，指示灯亮，预热15分钟；（2）调节辉度、聚焦、辅助聚焦旋钮，使屏幕上显示清晰的辉点或线条；（3）根据被测晶体管的特性和测试条件的要求，把X轴部分、Y轴部分、基极阶梯信号各部分开关、旋钮都调到相应的位置上；（4）基极阶梯信号调零。具体方法如下：当荧光屏上出现基极阶梯信号后，按下测试台上的“零电压”键，观察光点停留在荧光屏上的位置，复位后调节“阶梯调零”旋钮，使阶梯信号的起始级光点仍在该处，则基极阶梯信号的零位即被校准。技能训练三极管参数的测量3.晶体三极管的测试三极管输入特性曲线的测试原理图如图5-18所示，输出特性曲线的测试原理图如图5-19所示。图5-18三极管输入特性曲线的测试原理图图5-19三极管输出特性曲线的测试原理图技能训练三极管参数的测量五、实验报告（1）总结晶体管图示仪的面板功能和使用方法？（2）绘制三极管的特性曲线？（3）思考如何从三极管的输出特性曲线上读出放大倍数？技能训练三极管参数的测量谢谢大家谢谢大家