半導體基礎(chǔ)知識學習

1、我們知道， 電子電路是由晶體管組成， 而晶體管是由半導體制成的。 所以我們在學習電子電路之、/.前， 一定要了解半導體的一些基本知識。這一章我們主要學習二極管和三極管的一些基本知識，它是本課程的基礎(chǔ)，我們要掌握好 在學習時我們把它的內(nèi)容分為三節(jié)，它們分別是：1、 1 半導體的基礎(chǔ)知識1、2 PN 結(jié)1、 3 半導體三極管1、 1 半導體的基礎(chǔ)知識我們這一章要了解的概念有：本征半導體、P型半導體、N型半導體及它們各自的特征。一:本征半導體純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導體我們稱之為本征半導體。常用的半導體材料有：硅和鍺。它們都是四價元素， 原子結(jié)構(gòu)的最外層軌道上有四個價電子， 當把硅或鍺制成晶體時， 它們是靠

2、共價鍵的作用 而緊密聯(lián)系在一起。共價鍵中的一些價電子由于熱運動獲得一些能量，從而擺脫共價鍵的約束成為自由電子，同時 在共價鍵上留下空位，我們稱這些空位為空穴，它帶正電。我們用晶體結(jié)構(gòu)示意圖來描述一下； 如圖（ 1）所示：圖中的虛線代表共價鍵。在外電場作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流；同時價電子也按一定的方向一次填補空穴，從而使空穴產(chǎn)生定向移動，形成空穴電流。 因此，在晶體中存在兩種載流子，即帶負電自由電子和帶正電空穴，它們是成對出現(xiàn)的。二：雜質(zhì)半導體在本征半導體中兩種載流子的濃度很低，因此導電性很差。我們向晶體中有控制的摻入特定的 雜質(zhì)來改變它的導電性，這種半導體被稱為雜質(zhì)半導體。1

3、. N 型半導體在本征半導體中，摻入 5 價元素，使晶體中某些原子被雜質(zhì)原子所代替，因為雜質(zhì)原子最外層 有 5 各價電子，它與周圍原子形成共價鍵后，還多余一個自由電子，因此使其中的空穴的濃度 遠小于自由電子的濃度。但是，電子的濃度與空穴的濃度的乘積是一個常數(shù)，與摻雜無關(guān)。在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。2. P 型半導體在本征半導體中，摻入 3 價元素，晶體中的某些原子被雜質(zhì)原子代替，但是雜質(zhì)原子的最外層 只有 3 個價電子，它與周圍的原子形成共價鍵后，還多余一個空穴，因此使其中的空穴濃度遠 大于自由電子的濃度。在P型半導體中，自由電子是少數(shù)載流子，空穴使多數(shù)載流子。1

4、、 2 P N 結(jié)我們通過現(xiàn)代工藝，把一塊本征半導體的一邊形成P型半導體，另一邊形成 N型半導體，于是這兩種半導體的交界處就形成了PN結(jié)，它是構(gòu)成其它半導體的基礎(chǔ)，我們要掌握好它的特性！一：異形半導體接觸現(xiàn)象在形成的PN結(jié)中，由于兩側(cè)的電子和空穴的濃度相差很大，因此它們會產(chǎn)生擴散運動：電 子從N區(qū)向P區(qū)擴散；空穴從 P去向N區(qū)擴散。因為它們都是帶電粒子，它們向另一側(cè)擴散的 同時在N區(qū)留下了帶正電的空穴，在P區(qū)留下了帶負電的雜質(zhì)離子，這樣就形成了空間電荷區(qū)，也就是形成了電場（自建場）.它們的形成過程如圖（1 ），（ 2）所示pNp 空間赴荷區(qū) N© © © 

5、9; ® ® ® ® ® ® & & & 0 e 0 e QI >i -1 I I J e 0 e 0 ©0°e © c o c ® ® ® ® ®Je©參教戴流子的擴敝運動I）空間自建場的形成匕）在電場的作用下， 載流子將作漂移運動，它的運動方向與擴散運動的方向相反，阻止擴散運動。電場的強弱與擴散的程度有關(guān)，擴散的越多，電場越強，同時對擴散運動的阻力也越大，當擴散運動與漂移運動相等時，通過界面的載流子為0。此時，P

6、N結(jié)的交界區(qū)就形成一個缺少載流子的高阻區(qū)，我們又把它稱為阻擋層或耗盡層。二：PN結(jié)的單向?qū)щ娦晕覀冊赑N結(jié)兩端加不同方向的電壓，可以破壞它原來的平衡，從而使它呈現(xiàn)岀單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)外加正向電壓的接法是P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負極。這時外加電壓形成電場的方向與自建場的方向相反，從而使阻擋層變窄，擴散作用大于漂移作用，多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散形成正向電流，方向是從P區(qū)指向N區(qū)。如圖（1）所示這時的PN結(jié)處于導通狀態(tài)，它所呈現(xiàn)的電阻為正向電阻，正向電壓越大，電流也越大。它的 關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：其中：ID為流過PN結(jié)的電流，U為PN結(jié)兩端的電壓,UT=kT/q稱為溫度電壓當

7、量，其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電量，在室溫下（300K ）時 UT=26mv，IS為反向飽和電流。這個公式我們要掌握好!2.PN結(jié)外加反向電壓它的接法與正向相反，即 的方向與自建場的方向相同, 作用下，形成漂P區(qū)接電源的負極，N區(qū)接電源的正極。此時的外加電壓形成電場 從而使阻擋層變寬， 漂移作用大于擴散作用， 少數(shù)載流子在電場的移電流，它的方向與正向電壓的方向相反， 所以又稱為反向電流。 因反向電流是少數(shù)載流子形成， 故反向電流很小，即使反向電壓再增加，少數(shù)載流子也不會增加，反向電壓也不會增加，因此它又被稱為反向飽和電流。即： ID=-IS此時，PN結(jié)處于截止狀態(tài)，呈現(xiàn)的電

8、阻為反向電阻，而且阻值很高。由以上我們可以看岀：PN結(jié)在正向電壓作用下，處于導通狀態(tài)，在反向電壓的作用下，處于截止狀態(tài)，因此 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。它的電流和電壓的關(guān)系通式為:u_它被稱為伏安特性方程，如圖（3）所示為伏安特性曲線三：PN結(jié)的擊穿PN結(jié)處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。對于硅材料的PN結(jié)來說，擊穿電壓7v時為雪崩擊穿，4v時為齊納擊穿。 在4v與7v之間, 兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，我們在使用時要避免。擊穿并不意味著 PN結(jié)燒壞

9、。四：PN結(jié)的電容效應由于電壓的變化將引起電荷的變化，從而岀現(xiàn)電容效應，PN結(jié)內(nèi)部有電荷的變化，因此它具有電容效應，它的電容效應有兩種：勢壘電容和擴散電容。勢壘電容是由阻擋層內(nèi)的空間電荷引起的。擴散電容是PN結(jié)在正向電壓的作用下，多數(shù)載流子在擴散過程中引起電荷的積累而產(chǎn)生的。PN結(jié)正偏時，擴散電容起主要作用，PN結(jié)反偏時，勢壘電容起主要作用。五：半導體二極管半導體二極管是由 PN結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成的。它的類型很多。按制造材料分：硅二極管和錯二極管。按管子的結(jié)構(gòu)來分有：點接觸型二極管和面接觸型二極管。二極管的邏輯邏輯符號為：1.二極管的特性正向特性當正向電壓低于某一數(shù)值時， 正向電流很小，只有

10、當正向電壓高于某一值時， 二極管才有明顯的 正向電流，這個電壓被稱為導通電壓，我們又稱它為門限電壓或死區(qū)電壓，一般用UON表示，在室溫下，硅管的 UON約為0.6-0.8V，錯管的UON約為0.1-0.3V，我們一般認為當正向電 壓大于UON時，二極管才導通。否則截止。反向特性二極管的反向電壓一定時，反向電流很小，而且變化不大（反向飽和電流），但反向電壓大于某一數(shù)值時，反向電流急劇變大，產(chǎn)生擊穿。溫度特性二極管對溫度很敏感，在室溫附近，溫度每升高1度，正向壓將減小 2-2.5mV，溫度每升高10度，反向電流約增加一倍。2二極管的主要參數(shù)我們描述器件特性的物理量，稱為器件的特性。二極管的特性有：

11、最大整流電流IF它是二極管允許通過的最大正向平均電流。最大反向工作電壓 UR它是二極管允許的最大工作電壓，我們一般取擊穿電壓的一般作UR反向電流IR二極管未擊穿時的電流，它越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。最高工作頻率fM它的值取決于 PN結(jié)結(jié)電容的大小，電容越大，頻率約高。二極管的直流電阻 RD 加在管子兩端的直流電壓與直流電流之比，我們就稱為直流電阻，它可表示為：RD=UF/IF它是非線性的，正反向阻值相差越大，二極管的性能越好。二極管的交流電阻 rd在二極管工作點附近電壓的微變化與相應的微變化電流值之比，就稱為 該點的交流電阻。六：穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是利用二極管的擊穿特性。它是因為二極管工

12、作在反向擊穿區(qū)，反向電流變化很大的情況下，反向電壓變化則很小，從而表現(xiàn)岀很好的穩(wěn)壓特性。七：二極管的應用我們運用二極管主要是利用它的單向?qū)щ娦浴Ｋ鼘〞r，我們可用短線來代替它，它截止時，我們可認為它斷路1.限幅電路當輸入信號電壓在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓也隨著輸入電壓相應的變化；當輸入電壓高 于某一個數(shù)值時，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。我們把開始不變的電壓稱為限幅電平。 它分為上限幅和下限幅。例 1.試分析圖 (1)所示的限幅電路 ,輸入電壓的波形為圖 (2), 畫出它的限幅電路的波形E=0時限幅電平為 0v。ui>0時二極管導通，uo=0 , ui<0時，二極管截止，uo=ui ,它的波 形圖為：如圖( 3 )所示當OvEvUM時，限幅電平為+E °ui<+E時，二極管截止