【正文】 ? 電子電路的測(cè)試方法 ? 故障的判斷與排除方法 ? EDA軟件的應(yīng)用方法 12 第一章 常用半導(dǎo)體器件 167。 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 167。 半導(dǎo)體二極管 167。 雙極型晶體管 167。 場(chǎng)效應(yīng)管 167。 單結(jié)晶體管和晶閘管（了解） 167。 集成電路中的元件（了解） 重點(diǎn)掌握： 基本概念，晶體二極管的伏安特性及主要參數(shù)、晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管輸入、輸出特性及主要參數(shù) 不要將注意力過多放在管子內(nèi)部，而以理解外特性為主 13 167。 半導(dǎo)體的基本知識(shí) 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 導(dǎo)體： 容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。 絕緣體： 幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。 半導(dǎo)體： 導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體 , 如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如： 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。例如：室溫下，在純硅中 摻 入百萬分之一的硼，可以使硅的導(dǎo)電能力提高 50萬倍。 14 本征半導(dǎo)體 一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) Ge Si 通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成 晶體 。 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅 (14)和鍺 (32)，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。 本征半導(dǎo)體： 純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 15 在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成 共價(jià)鍵 ，共用一對(duì)價(jià)電子 。 硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)： 16 硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 共價(jià)鍵 共用電子對(duì) +4 +4 +4 +4 +4表示除去價(jià)電子后的正離子 形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。 共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為 束縛電子 ， 常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為 自由電子 ，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。 17 二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 在絕對(duì) 0度 （ T=0K） 和沒有外界激發(fā)時(shí) ,價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子 ），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。 在常溫下，由于熱激發(fā) ,使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為 自由電子 ，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為 空穴 。 、自由電子和空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 空穴 束縛電子 本征半導(dǎo)體中 自由電子 和 空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，而且數(shù)量相等，稱為 電子空穴對(duì)。 18 +4 +4 +4 +4 在電場(chǎng)力的作用下，自由電子作定向移動(dòng)，空穴也會(huì)吸引附近的價(jià)電子來依次填補(bǔ) ,結(jié)果相當(dāng)于空穴也作定向移動(dòng)，而空穴的移動(dòng)相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此也可以認(rèn)為空穴是 載流子 。 自由電子在運(yùn)動(dòng)過程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴而消失 ,稱為 復(fù)合 ；在一定的溫度下，熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子與空穴對(duì)，與復(fù)合的自由電子與空穴對(duì)數(shù)目相等，故達(dá)到 動(dòng)態(tài)平衡 . 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度，在一定溫度下 ,載流子的濃度是一定的， 溫度越高，載流子的濃度越高， 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng) 。 本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流， 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流 自由電子 和 空穴 都參與導(dǎo)電 19 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加了。 P 型半導(dǎo)體： 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素 (如硼 )構(gòu)成的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 N 型半導(dǎo)體： 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素 (如磷 )構(gòu)成的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 20 一、 N 型半導(dǎo)體 多余電子因不受共價(jià)鍵的束縛成為 自由電子 ， 同時(shí)磷原子就成為不能移動(dòng)的帶正電的離子，稱為 施主原子。 另外 N 型半導(dǎo)體中還有少量的空穴，其濃度遠(yuǎn)小于自由電子的濃度，所以把自由電子稱為 多數(shù)載流子 ， 空穴稱為 少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱 多子 和 少子 。 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素 多余電子 磷原子 + N型硅表示 21 二、 P 型半導(dǎo)體 P 型半導(dǎo)體中空穴是 多數(shù)載流子 ， 電子是 少 數(shù)載流子 。 當(dāng)附近硅原子的外層電子由于熱運(yùn)動(dòng)填補(bǔ)空穴時(shí)，硼原子成為不可移動(dòng)的負(fù)離子。硼原子稱為 受主原子 。 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素 空穴 硼原子 P型硅表示 22 三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － P 型半導(dǎo)體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半導(dǎo)體 雜質(zhì) 型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子 。近似認(rèn)為多子 濃度 與所摻雜質(zhì)濃度相等。 23 一 . PN 結(jié)的形成 在同一片半導(dǎo)體基片上采用不同的摻雜工藝分別制造 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體，由于濃度的不同，經(jīng)過載流子的 擴(kuò)散 ，在它們的交界面處就形成了 PN 結(jié)。 PN 結(jié) 由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 。 24 在電場(chǎng)力的作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)稱為 漂移運(yùn)動(dòng) 。 隨著 擴(kuò)散 運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，但有利于少子的 漂移 。 空間電荷區(qū)，也稱耗盡層?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子。 P 區(qū)中的電子和 N 區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。 PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦? 當(dāng)擴(kuò)散的多子和漂移的少子數(shù)目相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成 PN 結(jié)。 25 PN 結(jié)正向偏置 P 正 N 負(fù) ,導(dǎo)通 內(nèi)電場(chǎng) 外電場(chǎng) 變薄 － － － － + + + + R E P N + _ 內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的擴(kuò)散電流。 二 . PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 限流電阻 26 PN 結(jié)反向偏置 P負(fù) N 正，截止 內(nèi)電場(chǎng) 外電場(chǎng) 變寬 內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。 － － － － + + + + N P + _ R E PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦裕? 反向 飽和電流 27 三、 PN 結(jié)的電流方程 )1( ?? kTquS eIi)1( ?? TUuS eIi由理論分析知 ， PN 結(jié)外加電壓 u 與流過的電流 i 的關(guān)系為： 其中 , IS 為反向飽和電流， q為電子電量， k為玻爾茲曼常數(shù)， T為熱力學(xué)溫度。將 kT/q 用 UT代