第七章半導(dǎo)體

§7-1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的材料。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒及許多金屬的氧化物和硫化物等。半導(dǎo)體材料多以晶體的形式存在。半導(dǎo)體材料的特性：純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差；溫度升高——導(dǎo)電能力增強(qiáng)；光照增強(qiáng)——導(dǎo)電能力增強(qiáng)；摻入少量雜質(zhì)——導(dǎo)電能力增強(qiáng)。完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價(jià)元素，每個(gè)原子最外層電子數(shù)為4。++SiGe提純的硅材料可形成單晶——單晶硅相鄰原子由外層電子形成共價(jià)鍵共價(jià)鍵硅原子價(jià)電子受到激發(fā)，形成自由電子并留下空穴。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。載流子的產(chǎn)生與復(fù)合：共價(jià)鍵價(jià)電子自由電子和空穴同時(shí)產(chǎn)生本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷進(jìn)行復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即載流子濃度與溫度有關(guān)。溫度愈高，載流子數(shù)目就愈多，導(dǎo)電性能就愈好——溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的性能影響很大。半導(dǎo)體中的價(jià)電子還會(huì)受到光照而激發(fā)形成自由電子并留下空穴。光強(qiáng)愈大，光子就愈多，產(chǎn)生的載流子亦愈多，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)。故半導(dǎo)體器件對(duì)光照很敏感。雜質(zhì)原子對(duì)導(dǎo)電性能的影響將在下面介紹。二.

N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體與摻雜半導(dǎo)體在常溫下，本征半導(dǎo)體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導(dǎo)電能力相當(dāng)?shù)?。如果在半?dǎo)體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素，將得到摻雜半導(dǎo)體，而摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將大大提高。由于摻入雜質(zhì)元素的不同，摻雜半導(dǎo)體可分為兩大類——N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。2.N型半導(dǎo)體當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入微量磷(或其它五價(jià)元素)時(shí)，磷原子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵后，磷原子的外層電子數(shù)將是9，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一個(gè)價(jià)電子。P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余電子摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式，稱之為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。室溫情況下，本征硅中n0=p0~1.51010/cm3，當(dāng)磷摻雜量在10–6量級(jí)時(shí)，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。3.P型半導(dǎo)體當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入微量硼(或其它三價(jià)元素)時(shí)，硼原子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵后，硼原子的外層電子數(shù)將是7，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)少一個(gè)價(jià)電子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴摻硼半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子的數(shù)目。空穴為多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。一般情況下，摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子的1010倍或更多，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。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。然而整個(gè)半導(dǎo)體晶體仍是電中性的?！?-2.PN結(jié)不論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體，都只能看做是一般的導(dǎo)電材料，不具有半導(dǎo)體器件的任何特點(diǎn)。半導(dǎo)體器件的核心是PN結(jié)，是采取一定的工藝措施在一塊半導(dǎo)體晶片的兩側(cè)分別制成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面上形成PN結(jié)。各種各樣的半導(dǎo)體器件都是以PN結(jié)為核心而制成的，正確認(rèn)識(shí)PN結(jié)是了解和運(yùn)用各種半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵所在。一、PN結(jié)的形成PN空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)多數(shù)載流子將擴(kuò)散形成耗盡層；耗盡了載流子的交界處留下不可移動(dòng)的離子形成空間電荷區(qū)；（內(nèi)電場(chǎng)）一塊晶片的兩邊分別為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。內(nèi)電場(chǎng)阻礙了多子的繼續(xù)擴(kuò)散?？臻g電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)載流子的運(yùn)動(dòng)有兩種形式：擴(kuò)散由于載流子濃度梯度引起的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運(yùn)動(dòng)。漂移載流子受電場(chǎng)作用沿電場(chǎng)力方向的運(yùn)動(dòng)。耗盡層中載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)最后達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，這樣的耗盡層就是PN結(jié)。PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向由N區(qū)指向P區(qū)。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)未加電壓時(shí)，載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)處于動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定。下面討論加有外部電壓時(shí)的PN結(jié)特性。1.

加正向電壓將外電源的正端接P區(qū)、負(fù)端接N區(qū)。外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，空間電荷區(qū)變窄。漂移運(yùn)動(dòng)變?nèi)?，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，多子形成正向電流。PN內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向+I變窄2.

加反向電壓將外電源的正端接N區(qū)、負(fù)端接P區(qū)。外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，空間電荷區(qū)變寬。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)變?nèi)酰七\(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，參與漂移運(yùn)動(dòng)的載流子是少子，反向電流極小。PN內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向+I~0變寬少子是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，即溫度愈高少子的數(shù)量愈多，故溫度對(duì)反向電流的影響很大。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即正向?qū)ā⒎聪蚪刂?。?-3.半導(dǎo)體二極管將PN結(jié)加上電極引線及外殼，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管。PN結(jié)是二極管的核心，也是所有半導(dǎo)體器件的核心。一、二極管的結(jié)構(gòu)和分類二極管的分類根據(jù)制造二極管的半導(dǎo)體材料分為硅、鍺等；根據(jù)二極管的結(jié)構(gòu)分為點(diǎn)接觸、面接觸等；根據(jù)二極管的工作頻率分為低頻、高頻等；根據(jù)二極管的功能分為檢波、整流、開關(guān)、變?nèi)?、發(fā)光、光敏、觸發(fā)及隧道二極管等；根據(jù)二極管的功率特性分為小功率、大功率二極管等；…………二、二極管的伏安特性既然二極管是由PN結(jié)構(gòu)成的，它自然具有著單向?qū)щ娦?。某種硅二極管的電流~電壓關(guān)系(伏安特性)可見圖示：由電壓零點(diǎn)分為正向區(qū)和反向區(qū)正向由死區(qū)電壓分為死區(qū)和導(dǎo)通區(qū)；(Si~0.5VGe~0.2V)U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向由擊穿電壓分為截止區(qū)和擊穿區(qū)；三、二極管的主要參數(shù)二極管的特性不僅可用伏安曲線表示，也可用一些數(shù)據(jù)進(jìn)行說明這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管的主要參數(shù)有：1.最大整流電流IOM二極管長時(shí)間使用所允許通過的最大正向平均電流。2.反向工作峰值電壓URWM

保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，為反向擊穿電壓的1/2至2/3。3.反向峰值電流IRM

二極管加反向峰值電壓時(shí)的反向電流值。該值愈大說明二極管的性能愈差，硅管的此參數(shù)值為微安級(jí)以下。例如圖由RC構(gòu)成微分電路，當(dāng)輸入電壓ui為矩形波時(shí)，試畫出輸出電壓uo的波形。(設(shè)uc0=U0)CCRDRLuiuRuouitouRtouotoU§7-4.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的圖形符號(hào)：穩(wěn)壓管的伏安特性：U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，只是反向曲線更陡一些。U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管的使用：穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)，常見電路如下。UiRUoRL在電路中穩(wěn)壓管是反向聯(lián)接的。當(dāng)Ui大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，穩(wěn)壓管被擊穿，電流將增大，電阻R兩端的電壓增大，在一定的電流范圍內(nèi)穩(wěn)壓觀兩端的電壓基本不變，輸出電壓Ui等于Uz。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：1、穩(wěn)定電壓Uz

指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的端電壓。（其數(shù)值具有分散性）2、穩(wěn)定電流IZ

正常工作的參考電流值。低于此值穩(wěn)壓效果差。在不超過額定功率的前提下，高于此值穩(wěn)壓效果好，即工作電流越大穩(wěn)壓效果越好。U(V)0I(mA)反向正向UZIZ3、動(dòng)態(tài)電阻rZ

穩(wěn)壓管子端電壓和通過其電流的變化量之比。穩(wěn)壓管的反向伏安特性曲線越陡，則動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓效果越好。U(V)0I(mA)反向正向UZIZIZmaxIZUZ4、最大允許耗散功耗PZM保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。其值為穩(wěn)定電壓和允許的最大電流乘積5、電壓溫度系數(shù)U說明穩(wěn)壓值受溫度影響的參數(shù)。如：穩(wěn)壓管2CW18的電壓溫度系數(shù)為0.095%/C

假如在20C時(shí)的穩(wěn)壓值為11V，當(dāng)溫度升高到50C時(shí)的穩(wěn)壓值將為特別說明：穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)有正負(fù)之別。因此選用6V左右的穩(wěn)壓管，具有較好的溫度穩(wěn)定性?！?-5.半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管(晶體管)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。一.基本結(jié)構(gòu)晶體管最常見的結(jié)構(gòu)有平面型和合金型兩種。平面型都是硅管、合金型主要是鍺管。它們都具有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。其三層分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并引出發(fā)射極(E)、基極(B)和集電極(C)三個(gè)電極。三層之間的兩個(gè)PN結(jié)分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。本節(jié)介紹晶體管的結(jié)構(gòu)、特性及參數(shù)的內(nèi)容。N型硅P型N型二氧化硅保護(hù)膜CBEN型鍺銦球銦球P型P型CEB平面型結(jié)構(gòu)合金型結(jié)構(gòu)NNP發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)EBCNPP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)EBCBECBEC二.電流分配和放大原理NPN型和PNP型晶體管的工作原理相似，本章只討論前者。如圖，對(duì)NPN型晶體管加EB和EC兩個(gè)電源，接成共發(fā)射極接法構(gòu)成兩個(gè)回路。通過實(shí)驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果，得：(1).(2).

IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列數(shù)據(jù))IB(mA)

00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05(4).要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置、集電結(jié)必須反向偏置——具有放大作用的外部條件。這就是晶體管的電流放大作用，IB的微小變化可以引起IC的較大變化(第三列與第四列的電流增量比)。IB(mA)

00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05(3).當(dāng)IB=0(基極開路)時(shí)，也很小(約為1微安以下)。1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子電流放大作用原理

——內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(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(jìn)行多子擴(kuò)散。放大作用的內(nèi)部條件：基區(qū)很薄且摻雜濃度很低。2、電子在基區(qū)的擴(kuò)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(kuò)散。（但有少部分與空穴復(fù)合而形成IBEIB）3、集電區(qū)收集擴(kuò)散電子集電結(jié)為反向偏置使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)從基區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入集電結(jié)的電子具有加速作用而把電子收集到集電區(qū)，形成集電極電流(ICEIC)。由電流分配關(guān)系示意圖可知發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流IE將分成兩部分ICE和IBE，它們的比值為它表示晶體管的電流放大能力，稱為電流放大系數(shù)。在晶體管中，不僅IC比IB大很多；當(dāng)IB有微小變化時(shí)還會(huì)引起IC的較大變化。根據(jù)晶體管放大的外部條件，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置。則對(duì)于NPN型晶體管且對(duì)于PNP型晶體管且三.特性曲線晶體管的特性曲線是表示一只晶體管各電極電壓與電流之間關(guān)系的曲線。是應(yīng)用晶體管和分析放大電路的重要依據(jù)。最常用的是共發(fā)射極接法的輸入特性曲線和輸出特性曲線，實(shí)驗(yàn)測(cè)繪是得到特性曲線的方法之一。特性曲線的測(cè)量電路見右圖。AVmAVECRBIBUCEUBEICEB用晶體管特性圖示儀也可直接測(cè)量及顯示晶體管的各個(gè)特性曲線。1.輸入特性曲線輸入特性曲線當(dāng)UCE為常數(shù)時(shí)的IB與UBE之間的關(guān)系曲線。(參見右圖)00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V3DG6的輸入特性曲線對(duì)硅管來說，當(dāng)UCE1V時(shí)，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集電極電流，但I(xiàn)B與UBE的關(guān)系依然與PN結(jié)的正向類似。(當(dāng)UCE更小，IB才會(huì)明顯增加)硅管的死區(qū)電壓為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓不超過0.2V。放大狀態(tài)時(shí)，硅NPN管UBE=0.6~0.7V；鍺PNP管UBE=–0.2~–0.3V。2.輸出特性曲線輸出特性曲線是在IB為常數(shù)時(shí)，IC與UCE之間的關(guān)系曲線。在不同的IB下，可得到不同的曲線，即晶體管的輸出特性曲線是一組曲線(見下圖)。當(dāng)IB一定時(shí)，UCE超過約1V以后就將形成IC，當(dāng)UCE繼續(xù)增加時(shí)，IC的增加將不再明顯。這是晶體管的恒流特性。當(dāng)IB增加時(shí)，相應(yīng)的IC也增加，曲線上移，而且IC比IB增加得更明顯。這是晶體管的電流放大作用。通常將晶體管的輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)特性曲線進(jìn)于水平的區(qū)域。在放大區(qū)也稱線性區(qū)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。(2)截止區(qū)IB=0曲線以下的區(qū)域。IB=0時(shí)IC=ICEO。對(duì)于硅管當(dāng)UBE<0.5V時(shí)即開始截止。為了可靠截止常使UBE0。即截止時(shí)兩個(gè)PN結(jié)都反向偏置。

(3)飽和區(qū)當(dāng)UCE<UBE時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IB的變化對(duì)IC影響較小，失去放大作用。即：飽和時(shí)，晶體管的發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)也處于正偏。截止放大飽和發(fā)射結(jié)反偏正偏正偏集電結(jié)反偏反偏正偏各態(tài)偏置情況：四.主要參數(shù)晶體管的特性不僅可用特性曲線表示，還可用一些數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，即晶體管參數(shù)。它是設(shè)計(jì)電路和選用器件的依據(jù)。1.電流放大系數(shù)、當(dāng)晶體管接成共發(fā)射極時(shí)，靜態(tài)(直流)時(shí)的IC與IB的比值稱為共發(fā)射極靜態(tài)(直流)放大系數(shù)：當(dāng)晶體管工作在動(dòng)態(tài)時(shí)，電流增量ΔIC與ΔIB的比值稱為動(dòng)態(tài)(交流)放大系數(shù)：說明：1、靜態(tài)電流放大系數(shù)和動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)的意義不同，但大多數(shù)情況下近似相等，可以借用進(jìn)行定量估算。2、晶體管的輸出特性曲線