第4章4.1半導(dǎo)體基本知識(shí)

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(xué)科。分?jǐn)?shù)電和模電兩塊，對(duì)象分別為離散信號(hào)和連續(xù)信號(hào)。發(fā)展：1883，愛(ài)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(cè)量、控制……。4.1半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體基本知識(shí)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(jià)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(qiáng)；如：熱敏電阻。

光敏性：光照增強(qiáng)→導(dǎo)電能力增強(qiáng)；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(qiáng)，達(dá)百萬(wàn)倍。二、本征半導(dǎo)體1、定義：經(jīng)過(guò)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(shuō)，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(jià)電子與共價(jià)鍵；共價(jià)鍵每一原子的一個(gè)價(jià)電子與另一原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對(duì)。構(gòu)成共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)。（2）自由電子與空穴：價(jià)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(jià)鍵價(jià)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(shí)產(chǎn)生；空穴表示該位置缺少一個(gè)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(gè)過(guò)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(chǎng)的作用下?？昭娏鳎河锌昭ǖ脑涌梢晕噜徳又械膬r(jià)電子（不是自由電子），填補(bǔ)這個(gè)空穴。同時(shí)，在失去了一個(gè)價(jià)電子的相鄰原子的共價(jià)鍵中出現(xiàn)另一個(gè)空穴；就好象空穴在運(yùn)動(dòng)。而空穴運(yùn)動(dòng)的方向與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的方向相反，因此，空穴運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)?？昭▋r(jià)電子電子電流：自由電子的定向移動(dòng)。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(qiáng)。－－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(jià)元素），稱為N型半導(dǎo)體。特點(diǎn)：

多余電子SiSiSiSiSiSiP形成了大量自由電子。同時(shí)，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(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(wàn)倍2、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中滲入硼（鋁等其它三價(jià)元素），稱為P型半導(dǎo)體。特點(diǎn)：

SiSiSiSiSiSiB空穴形成了大量空穴；同時(shí)，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(gè)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(lái)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(kuò)散擴(kuò)散P、N區(qū)的空穴、自由電子濃度差形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。多數(shù)載流子擴(kuò)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(dòng)的離子形成空間電荷區(qū)－－構(gòu)成內(nèi)電場(chǎng)，P為負(fù)，N為正?？臻g電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)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)漂移漂移P、N區(qū)的自由電子、空穴在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成少子的漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散和漂移的動(dòng)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(fù)端接N區(qū)。PN內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向+I變窄破壞了擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡。內(nèi)電場(chǎng)變窄、變?nèi)?，擴(kuò)散變強(qiáng)，漂移變?nèi)酢Ｔ谝欢ǚ秶鷥?nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流愈大，這時(shí)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(chǎng)方向外電場(chǎng)方向+I變窄加反向電壓：外電源的負(fù)端接P區(qū)，正端接N區(qū)。外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，破壞了擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡。PN內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)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(shí)，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(shí)，PN結(jié)電阻很高，反向電流很?。刂?fàn)顟B(tài)。4.1半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管場(chǎng)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(yáng)極（正極）；從N區(qū)引出的電極稱為陰極（負(fù)極）。2、類型按結(jié)構(gòu)分：點(diǎn)接觸型和面接觸型。點(diǎn)接觸型：一般為鍺管，PN結(jié)結(jié)面積很小，不能通過(guò)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(kāi)關(guān)元件。面接觸型：PN結(jié)結(jié)面積大；可通過(guò)較大電流（可達(dá)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(kāi)關(guān)二極管等。3、符號(hào)（D）PN二、伏安特性

指流過(guò)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(gè)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(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，由于外電場(chǎng)還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(dāng)外加正向電壓＞死區(qū)電壓時(shí)，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(shí)，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(shí)，少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)很快；在反向電壓不超過(guò)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(qiáng)電場(chǎng)中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格而將價(jià)電子碰撞出來(lái)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，形成連鎖反應(yīng)；臨界電壓稱反向擊穿電壓。另一原因：強(qiáng)電場(chǎng)直接將共價(jià)鍵中的價(jià)電于拉出來(lái)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，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(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許流過(guò)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(shí)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?；硅管的反向電流較小，一般在幾個(gè)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??？捎糜谡鳌z波、元件保護(hù)以及在脈沖與數(shù)字電路中作為開(kāi)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(jì)，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?yàn)锳端電位比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(hào)與穩(wěn)壓電路：R是限流電阻RL是負(fù)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(shí)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(jìn)。此外，還有：穩(wěn)定電流IZ、電壓溫度系數(shù)αZ、動(dòng)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(dāng)光線輻射于PN結(jié)時(shí)，它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，又稱：光電二極管。符號(hào)：可以用來(lái)做為光控元件，如：流水線計(jì)件。3、發(fā)光二極管用砷化鎵、磷化鎵等制成，通以電流將會(huì)發(fā)出光來(lái)－－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(hào)：死區(qū)電壓比普通二極管高。發(fā)光二極管常用來(lái)做顯示器件。4、變?nèi)荻O管PN結(jié)反向偏置時(shí)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(shí)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體三極管場(chǎng)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(kāi)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(hù)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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：IE＝IC＋I(xiàn)B；BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB

當(dāng)IB＝0（基極開(kāi)路）時(shí)，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(duì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律

－－發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)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(jìn)行多子擴(kuò)散。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(kuò)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(shí)，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(shí)，兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)；

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

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IC；

UCE增大，IB不會(huì)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(dāng)IB為常數(shù)時(shí)，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(guò)約1V再繼續(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)，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(gè)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)。IB和IC有相對(duì)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(dòng)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(shuō)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(rèn)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(duì)于硅管當(dāng)UBE<0.5V時(shí)即開(kāi)始截止。為了可靠截止常使UBE

0。截止時(shí)兩個(gè)PN結(jié)都反向偏置。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)。飽和區(qū)：在飽和區(qū)，IB的變化對(duì)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(duì)晶體管的三種狀態(tài)進(jìn)行判斷。