第4章4.1半導(dǎo)體基本知識

電子技術(shù)電子技術(shù)是研究各種半導(dǎo)體器件的性能、電路及其應(yīng)用的學科。分數(shù)電和模電兩塊，對象分別為離散信號和連續(xù)信號。發(fā)展：1883，愛迪生，熱電子效應(yīng)；1904，弗萊明利用此效應(yīng)制成電子二極管；1906，德福雷斯，三極管（放入第三極：柵極）1948，美國貝爾實驗室：晶體管；1958，集成電路：材料、元件和電路三者的統(tǒng)一（在半導(dǎo)體材料上滲入相應(yīng)的物質(zhì)形成）。電子管、晶體管、集成電路及大規(guī)模集成電路四代。應(yīng)用領(lǐng)域遍及廣播、通訊、測量、控制……。4.1半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管場效應(yīng)管半導(dǎo)體基本知識一、半導(dǎo)體1、定義：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。最常用的半導(dǎo)體為硅（Si，14）和鍺（Ge，32）等。它們的共同特征是四價元素。+Si2、半導(dǎo)體材料的特性純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差；

熱敏性：溫度升高→導(dǎo)電能力增強；如：熱敏電阻。

光敏性：光照增強→導(dǎo)電能力增強；如：光敏電阻、圖像傳感器

摻雜性：摻入少量雜質(zhì)→導(dǎo)電能力增強，達百萬倍。二、本征半導(dǎo)體1、定義：經(jīng)過高度提純的單一晶格結(jié)構(gòu)的硅或鍺原子構(gòu)成的晶體；或者說，完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。2、導(dǎo)電性能：（1）價電子與共價鍵；共價鍵每一原子的一個價電子與另一原子的一個價電子組成一個電子對。構(gòu)成共價鍵的結(jié)構(gòu)。（2）自由電子與空穴：價電子受到激發(fā)（如：熱和光），形成自由電子并留下空穴；硅原子共價鍵價電子空穴受溫度的電離現(xiàn)象稱熱激發(fā)；自由電子和空穴同時產(chǎn)生；空穴表示該位置缺少一個電子，丟失電子的原子顯正電，稱為正離子；自由電子又可以回到空穴的位置上，使離子恢復(fù)中性，這個過程叫復(fù)合。半導(dǎo)體中的自由電子和空穴都能參與導(dǎo)電→半導(dǎo)體具有兩種載流子。（3）電子電流與空穴電流前提：在外電場的作用下。空穴電流：有空穴的原子可以吸引相鄰原子中的價電子（不是自由電子），填補這個空穴。同時，在失去了一個價電子的相鄰原子的共價鍵中出現(xiàn)另一個空穴；就好象空穴在運動。而空穴運動的方向與價電子運動的方向相反，因此，空穴運動相當于正電荷的運動?？昭▋r電子電子電流：自由電子的定向移動。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)目極少導(dǎo)電能力仍然很低。摻雜后的半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能將大大增強。－－雜質(zhì)電離根據(jù)摻雜（某種元素）不同，可分為：N和P兩種類型半導(dǎo)體。1、N型半導(dǎo)體（N：negatron電子）在硅或鍺晶體中摻入磷（砷等其它五價元素），稱為N型半導(dǎo)體。特點：

多余電子SiSiSiSiSiSiP形成了大量自由電子。同時，也抑制了空穴的形成。

因此，形成以自由電子導(dǎo)電為主要導(dǎo)電方式，故又稱為：電子型半導(dǎo)體。電子是多數(shù)載流子（多子）；空穴是少數(shù)載流子（少子）。室溫情況下（27度），本征硅中：n0=p0~1.51010/cm3，當磷摻雜量在10–6量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍2、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中滲入硼（鋁等其它三價元素），稱為P型半導(dǎo)體。特點：

SiSiSiSiSiSiB空穴形成了大量空穴；同時，也抑制了自由電子的形成。

注意：不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，都只有一種多數(shù)載流子。整個半導(dǎo)體晶體仍是電中性的。四、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訬、P型半導(dǎo)體雖然導(dǎo)電能力增加，但并不能直接用來制造半導(dǎo)體器件－－只是有了材料；通常是在一塊晶片兩邊分別形成P型和N型半導(dǎo)體，在交界處形成PN結(jié)－－這才是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。1、PN結(jié)的形成在一塊晶片兩邊分別形成P型和N型半導(dǎo)體。PN自由電子空穴擴散擴散P、N區(qū)的空穴、自由電子濃度差形成多子的擴散運動。多數(shù)載流子擴散形成耗盡層－－電阻率高，但不導(dǎo)電；耗盡了載流子的交界處留下不可移動的離子形成空間電荷區(qū)－－構(gòu)成內(nèi)電場，P為負，N為正?？臻g電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙了多子的繼續(xù)擴散。空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)漂移漂移P、N區(qū)的自由電子、空穴在內(nèi)電場的作用下形成少子的漂移運動。擴散和漂移的動態(tài)平衡形成了PN結(jié)2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦约诱螂妷海和怆娫吹恼私覲區(qū)，負端接N區(qū)。PN內(nèi)電場方向外電場方向+I變窄破壞了擴散與漂移運動的平衡。內(nèi)電場變窄、變?nèi)酰瑪U散變強，漂移變?nèi)酢Ｔ谝欢ǚ秶鷥?nèi)，外電場愈強，正向電流愈大，這時PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低。電流包括空穴電流和電子電流兩部分。外電源不斷地向半導(dǎo)體提供電荷，使電流得以維持。PN內(nèi)電場方向外電場方向+I變窄加反向電壓：外電源的負端接P區(qū)，正端接N區(qū)。外電場與內(nèi)電場方向一致，破壞了擴散與漂移運動的平衡。PN內(nèi)電場方向外電場方向+I~0變寬由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，即PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很高。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴＜诱螂妷簳r，PN結(jié)電阻很低正向電流較大－－導(dǎo)通狀態(tài)；加反向電壓時，PN結(jié)電阻很高，反向電流很?。刂範顟B(tài)。4.1半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管場效應(yīng)管一、基本結(jié)構(gòu)和類型1、結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。從P區(qū)引出的電極稱為陽極（正極）；從N區(qū)引出的電極稱為陰極（負極）。2、類型按結(jié)構(gòu)分：點接觸型和面接觸型。點接觸型：一般為鍺管，PN結(jié)結(jié)面積很小，不能通過較大電流，但其高頻性能好，故一般適用于高頻和小功率的工作，也用作數(shù)字電路中的開關(guān)元件。面接觸型：PN結(jié)結(jié)面積大；可通過較大電流（可達上千安培），其工作頻率較低一般用作整流。根據(jù)其不同用途：可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管等。3、符號（D）PN二、伏安特性

指流過二極管的電流與兩端電壓的關(guān)系。特性曲線：U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020二極管的伏安特性是非線性的，大致可分為四個區(qū)：死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)和反向擊穿區(qū)。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020死區(qū)死區(qū)：當外加正向電壓很低時，由于外電場還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴散運動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。正向?qū)▍^(qū)：當外加正向電壓＞死區(qū)電壓時，二極管變?yōu)閷?dǎo)通；

U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020導(dǎo)通區(qū)電流將急劇增加（指數(shù)關(guān)系），而二極管的電壓卻幾乎不變，此時，二極管的電壓稱為正向?qū)▔航?。硅管?.6~0.7V；鍺管：0.2~0.3V。反向截止區(qū)：在二極管上加反向電壓時，少數(shù)載流子的漂移運動形成很小的反向電流。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向截止區(qū)反向飽和電流：隨溫度的上升增長很快；在反向電壓不超過某一范圍，反向電流的大小基本恒定。反向擊穿區(qū)：擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向擊穿區(qū)擊穿的原因：雪崩式電離：處于強電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格而將價電子碰撞出來，產(chǎn)生電子空穴對，形成連鎖反應(yīng)；臨界電壓稱反向擊穿電壓。另一原因：強電場直接將共價鍵中的價電于拉出來，產(chǎn)生電子空穴對，形成較大的反向電流。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向擊穿電壓理想二極管：正向壓降為0；反向電流為0。三、主要參數(shù)1、最大整流電流ICM

整流是二極管重要應(yīng)用之一。指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2、最高反向電壓URM保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。3、最大反向電流IRM

加最高反向工作電壓時的反向電流值，受溫度的影響很大。反向電流越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶茫还韫艿姆聪螂娏鬏^小，一般在幾個微安以下；鍺管的反向電流較大為硅管的幾十到幾百倍。4、此外最高工作頻率、結(jié)電容值、工作溫度、微變電阻等。四、應(yīng)用應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦浴？捎糜谡鳌z波、元件保護以及在脈沖與數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。例如：圖示的電路中，已知：ui=30sinωtV，二極管的正向壓降可忽略不計，試分別畫出輸出電壓u0的波形。RDR+-uiu0u0D+-ui+-+-R+-uiu0D+-DRu0+-ui+-例2：在圖中，求輸出端F的電位UF=?。解：A3VB0VF-12V因為A端電位比B端電位高，所以，DA優(yōu)先導(dǎo)通。設(shè)二極管的正向壓降是0.3V，則：UF=2.7V。DA起鉗位作用。DB上加的是反向電壓，截止，起隔離作用。五、特殊二極管1、穩(wěn)壓管結(jié)構(gòu)：是一種用特殊工藝制成的面接觸型硅二極管；作用：穩(wěn)壓；工作原理：工作在反向擊穿區(qū)，為電擊穿；穩(wěn)壓的符號與穩(wěn)壓電路：R是限流電阻RL是負載電阻伏安特性：反向擊穿特性比普通二極管的要陡些。主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓UZ――穩(wěn)壓管在正常工作時管子兩端的電壓。其數(shù)值具有分散性，這也是很多半導(dǎo)體器件的共性，易受溫度影響；須采用措施改進。此外，還有：穩(wěn)定電流IZ、電壓溫度系數(shù)αZ、動態(tài)電阻rZ、最大允許耗散功率PZM等。2、光敏二極管利用半導(dǎo)體的光敏特性制成；當光線輻射于PN結(jié)時，它的反向電流隨光照強度的增加而增強，又稱：光電二極管。符號：可以用來做為光控元件，如：流水線計件。3、發(fā)光二極管用砷化鎵、磷化鎵等制成，通以電流將會發(fā)出光來－－電子和空穴復(fù)合而發(fā)出，不同的物質(zhì)，不同的顏色。符號：死區(qū)電壓比普通二極管高。發(fā)光二極管常用來做顯示器件。4、變?nèi)荻O管PN結(jié)反向偏置時結(jié)電容隨反向電壓變化而有較大的變化。常作為調(diào)諧電容使用－－改變其反向電壓以調(diào)節(jié)LC諧振回路的振蕩頻率。作業(yè)：P1994.54.1半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管場效應(yīng)管半導(dǎo)體三極管是最重要的一種半導(dǎo)體器件。廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。具有放大和開關(guān)作用，由兩種載流子導(dǎo)電，又稱雙極型三極管。一、基本結(jié)構(gòu)平面型和合金型兩種：CN型硅P型N型二氧化硅保護膜BE平面型結(jié)構(gòu)N型鍺銦球銦球P型P型CEB合金型結(jié)構(gòu)平面型都是硅管合金型主要是鍺管NNP都具有NPN或PNP的三層兩結(jié)的結(jié)構(gòu)，因而又有NPN和PNP兩類晶體管。發(fā)射區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)基區(qū)CBEBECPPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)基區(qū)CBEBEC二、伏安特性NPN型和PNP型晶體管的工作原理類似，僅在使用時電源極性聯(lián)接不同而已。以NPN型晶體管為例。1、晶體管電路三極管的三個電極之間可以組成不同的輸入回路和輸出回路，因此，可分為：共發(fā)射極電路，共集電極電路和共基極電路。2、電流放大原理（共射電路）BCE共射電路改變可變電阻RB，基極電流IB，集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變化。＋－mAICmAIEIB＋－uAECEBEC＞EC實驗現(xiàn)象：IE＝IC＋IB；BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB

當IB＝0（基極開路）時，IC＝ICEO也很小，約為1微安以下，稱為穿透電流。IC或IE比IB大得多，且相對衡定，這就是電流放大作用，IB的微小變化可以引起IC的較大變化。放大原理：BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB

外部條件－－發(fā)射結(jié)必須正向偏置、集電結(jié)必須反向偏置。

內(nèi)部載流子運動規(guī)律

－－發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子：發(fā)射結(jié)處于正向偏置，摻雜濃度較高的發(fā)射區(qū)向基區(qū)進行多子擴散。電子在基區(qū)的擴散和復(fù)合：基區(qū)厚度很小，電子在基區(qū)繼續(xù)向集電結(jié)擴散，但有少部分與空穴復(fù)合而形成IBE

IB。NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)基區(qū)CBE集電區(qū)收集擴散電子：形成集電極電流（ICE

IC）放大作用的內(nèi)部條件：基區(qū)很薄且摻雜濃度很低。3、伏安特性反映了三極管的性能，是分析三極管電路的重要依據(jù)。（1）輸入特性：是UCE＝常數(shù)時，IB和UBE之間的關(guān)系。BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB與二極管正向特性一致。BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V

UCE＝0時，兩個PN結(jié)并聯(lián)；

UCE＞0時，曲線右移；00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V

UCE1V時，集電結(jié)已處于反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置所形成電流的絕大部分將形成IC；

UCE增大，IB不會明顯減小，所以，這種情況下的的輸入曲線基本重合，常只畫一條。

硅NPN管UBE=0.6~0.7V；鍺PNP管UBE=–0.2~–0.3V。（2）輸出特性：當IB為常數(shù)時，IC和UCE之間的關(guān)系曲線。BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB不同的IB可以得到不同的IC和UCE間曲線。

UCE超過約1V再繼續(xù)增加時，IC的增加將不再明顯。這是晶體管的恒流特性。當IB增加時，自由電子數(shù)增加，相應(yīng)的IC也增加，曲線上移。通常分三個區(qū)特性曲線進于水平的區(qū)域。在放大區(qū)，也稱線性區(qū)。IB和IC有相對固定的關(guān)系，即電流放大系數(shù)：放大區(qū)：（模擬）靜態(tài)和動態(tài)電流放大系數(shù)意義不同，但多數(shù)情況下近似相等。說明：輸出特性曲線是非線性的，只有在曲線的等距平直部分才有較好的線性關(guān)系，IC與IB成正比，β也可認為是基本恒定的。制造工藝的原因，晶體管的參數(shù)具有一定的離散性。

IB＝0曲線以下區(qū)域，IC＝

ICEO；截止區(qū)：對于硅管當UBE<0.5V時即開始截止。為了可靠截止常使UBE

0。截止時兩個PN結(jié)都反向偏置。當UCE<UBE時，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態(tài)。飽和區(qū)：在飽和區(qū)，IB的變化對IC影響較小，失去放大作用。發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均處于正偏。各態(tài)偏置情況：要求能對晶體管的三種狀態(tài)進行判斷。