【正文】 Home 內(nèi)容簡(jiǎn)介 Home 教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容： 1. 本征半導(dǎo)體、 N型半導(dǎo)體、 P型半導(dǎo)體以及兩種載流子； 2. PN結(jié)的形成、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕? 3. 二極管的伏安特性、等效電路； 4. 穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理。 5. 晶體三極管的電流放大作用。 Home 1. 半導(dǎo)體材料 根據(jù)物體導(dǎo)電能力 (電阻率 )的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 導(dǎo) 體 ： ρ10－ 4Ωcm 絕緣體 ： ρ109Ωcm 半導(dǎo)體 ：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 Next 2. 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 典型的元素半導(dǎo)體有 硅 Si和 鍺 Ge ，此外，還有化合物半導(dǎo)體 砷化鎵 GaAs等。 本征半導(dǎo)體 ：化學(xué)成分純凈、 結(jié)構(gòu)完整 的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的， 就元素半導(dǎo)體硅和鍺而言，其 原子序數(shù)分別為 14和32，但它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)：即原子最外層的電子（價(jià)電子）數(shù)均為 4，其原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)如 圖 。 Home Next Back ：受溫度、光照等環(huán)境因素的影響，半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得足夠的能量而掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子的現(xiàn)象，稱之為本征激發(fā)（熱激發(fā)）（見圖 ）。 本征激發(fā) (熱激發(fā)） 電子空穴對(duì) ：由本征激發(fā)（熱激發(fā)）而產(chǎn)生的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。所以，在本征半導(dǎo)體中： ni=pi （ ni－自由電子的濃度； pi－空穴的濃度）。 空穴 ：共價(jià)鍵中的空位。 Home Next Back K1—常數(shù)，硅為 ?106K3/2/cm3，鍺為?106 K3/2/cm3 ； T—熱力學(xué)溫度； EGO—禁帶寬度， 硅為 ，鍺為 ； k—波耳茲曼常數(shù)， ?105 eV/K。（ e—單位電荷， eV=J） Home Next Back 載流子 ：能夠參與導(dǎo)電的帶電粒子。 ：如圖 。從圖中可以看出，空穴可以看成是一個(gè)帶正電的粒子，和自由電子一樣，可以在晶體中自由移動(dòng)，在外加電場(chǎng)下，形成定向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。所以， 在半導(dǎo)體中具有兩種載流子：自由電子和空穴。 半導(dǎo)體中載流子的移動(dòng) （ 1）兩種載流子的產(chǎn)生與復(fù)合，在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，則 ni=pi的值一定； （ 2） ni與 pi 的值與溫度有關(guān)，對(duì)于硅材料，大約溫度每升高 8oC， ni 或 pi 增加一倍；對(duì)于鍺材料，大約溫度每升高 12 oC， ni 或 pi 增加一倍。 Home Next Back 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能很差，且與環(huán)境溫度密切相關(guān)，即熱敏性。 這種對(duì)溫度的敏感性，既可以用來制作熱敏和光敏器件，又是造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。 說明： 雜質(zhì)半導(dǎo)體 ：在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體。根據(jù)摻雜元素的性質(zhì)，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為 P型（空穴型）半導(dǎo)體和 N型（電子型）半導(dǎo)體。由于摻雜的影響，會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。 Home Next Back ：在本征半導(dǎo)體中摻入微量三價(jià)元素的雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體，其共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖 所示。常用的三價(jià)元素的雜質(zhì)有硼、銦等。 P型半導(dǎo)體 Home Next Back 受主雜質(zhì) ：因?yàn)槿齼r(jià)元素的雜質(zhì)在半導(dǎo)體中能夠接受電子，故稱之為受主雜質(zhì)或 P型雜質(zhì)。 多子與少子 ： P型半導(dǎo)體在產(chǎn)生空穴的同時(shí)，并不產(chǎn)生新的自由電子，所以控制摻雜的濃度，便可控制空穴的數(shù)量。在 P型半導(dǎo)體中，空穴的濃度遠(yuǎn)大于自由電子的濃度，稱之為 多數(shù)載流子 ，簡(jiǎn)稱 多子 ；而自由電子為 少數(shù)載流子 ，簡(jiǎn)稱 少子 。 ：既然 P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，所以， P型半導(dǎo)體帶正電。此說法正確嗎？ 思考題 ：在本征半導(dǎo)體中摻入微量五價(jià)元素的雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體，其共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖 所示。常用的五價(jià)元素的雜質(zhì)有磷、砷和銻等。 N型半導(dǎo)體 Home Next Back 施主雜質(zhì) ：因?yàn)槲鍍r(jià)元素的雜質(zhì)在半導(dǎo)體中能夠產(chǎn)生多余的電子，故稱之為施主雜質(zhì)或 N型雜質(zhì)。 在 N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，而空穴為少數(shù)載流子。 注意： 多子的濃度與摻雜濃度有關(guān)，受溫度影響?。欢僮邮潜菊骷ぐl(fā)形成的，盡管濃度低，卻對(duì)溫度非常 敏感 。 綜上所述，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，因?yàn)閾诫s，載流子的數(shù)量比本征半導(dǎo)體有相當(dāng)程度的增加，盡管摻雜的含量很小，但對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力影響卻很大，使之成為提高半導(dǎo)體導(dǎo)電性能最有效的方法。 摻雜對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性的影響，其典型數(shù)據(jù)如下 : ? T=300 K室溫下 ,本征硅的電子和空穴濃度 : ni = pi = 1010/cm3 ? 摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度 : ni=5 1016/cm3 ? 本征硅的原子濃度 : 1022/cm3 以上三個(gè)濃度基本上依次相差 106/cm3 。 Home Next Back 小 結(jié) 本講主要介紹了下列半導(dǎo)體的基本概念： ? 本征半導(dǎo)體 ? 本征激發(fā)、空穴、載流子 ? 雜質(zhì)半導(dǎo)體 ? P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體 ? 受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)、多子、少子 Home Next Back 一 .PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì) ,分別形成 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體。此時(shí)將在 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成的物理過程示意圖如 圖 。 5. PN結(jié) Home Next Back 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于濃度差多子產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。 漂移運(yùn)動(dòng)：當(dāng)空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)電場(chǎng)作用下，少子產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。 Home Next Back 二 .PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 正偏與反偏 ：當(dāng)外加電壓使 PN結(jié)中 P區(qū)的電位高于 N區(qū)的電位，稱為加 正向電壓 ，簡(jiǎn)稱正偏；反之 稱為加反向電壓， 簡(jiǎn)稱反偏。 PN結(jié) ?對(duì)稱結(jié) 不對(duì)稱結(jié) 空間電荷區(qū)又稱耗盡層 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 漂移運(yùn)動(dòng) PN結(jié)形成 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流， PN結(jié)導(dǎo)通。其示意圖如 圖 。 Home Next Back 2. PN結(jié)加反向電壓 PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流， PN結(jié)截止。其示意圖如 圖 。 外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向 相反 ，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 加劇 ，漂移運(yùn)動(dòng) 減弱 。 注意：在回路中要串接一個(gè)限流電阻，防止 PN結(jié)因正向電流過大而損壞。 Home Next Back 3. PN結(jié)的單向?qū)щ娦? PN結(jié)加正向電壓（正偏）時(shí)導(dǎo)通；加反向電壓（反偏）時(shí)截止的特性，稱為 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。 外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向 相同 ，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 消弱 ，漂移運(yùn)動(dòng) 加劇， 形成反向電流。 因?yàn)樯僮拥臄?shù)目是熱激發(fā)產(chǎn)生的，數(shù)目極少，反向電流非常小。 Home Next Back 三 .PN結(jié)的特性曲線 1. PN結(jié)的 UI 特性表達(dá)式 D /DS ( 1 ) ( .2)TuUi I e??式中， IS —反向飽和電流； n —發(fā)射系數(shù)，與 PN結(jié)的的尺寸、材料等有關(guān)，其值為 1~2； UT —溫度的電壓當(dāng)量，且在常溫下（ T=300K） : UT = kT/q = =26mV 2. PN結(jié)的正向特性 :uUT時(shí) , Home Next Back 死區(qū)電壓 Uth 硅材料為 左右；鍺材料為 。 導(dǎo)通電壓 Uon 硅材料為~；鍺材料為~。 Is=108A UT=26mV 死區(qū)電壓 導(dǎo)通電壓 圖 PN結(jié)的正向特性 / TuUSi I e?3. PN結(jié)的反向特性 : |u|UT時(shí) , Home Next Back 反向電流： 在一定溫度下，少子的濃度一定，當(dāng)反向電壓達(dá)到一定值后，反向電流IR 即為反向飽和電流 IS，基本保持不變。 反向電流受溫度的影響大。 IS 圖 PN結(jié)的反向特性 鍺管 硅管 SIi ??4. PN結(jié)的反向擊穿特性 Home Next Back 反向擊穿： 當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加的現(xiàn)象稱為反向擊穿（ 電擊穿 ）。若不加限流措施，PN結(jié)將過熱而損壞，此稱為 熱擊穿 。電擊穿是可逆的，而熱擊穿是不可逆的，應(yīng)該避免。 圖 PN結(jié)的反向擊穿特性 UBR Home Next Back 反向擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。 雪崩擊穿： 當(dāng)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)的電場(chǎng)隨之增強(qiáng)，使通過空間電荷區(qū)的電子和空穴獲得的能量增大，當(dāng)它們與晶體中的原子發(fā)生碰撞時(shí) ，足夠大的能量將導(dǎo)致碰撞電離。而新產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下，同樣會(huì) 與晶體中的原子發(fā)生碰撞電離 ，再產(chǎn)生新的電子 空穴對(duì)，形成載流子的 倍增效應(yīng) 。當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，這種情況就象發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增加，于是導(dǎo)致了 PN結(jié)的雪崩擊穿。 齊納擊穿： 齊納擊穿的機(jī)理與雪崩擊穿不同。在較高的反向電壓作用下，空間電荷區(qū)的電場(chǎng)變成強(qiáng)電場(chǎng)， 有足夠的能力破壞共價(jià)鍵 ，使束縛在共價(jià)鍵中的電子掙脫束縛而形成電子 空穴對(duì)，造成載流子數(shù)目的急劇增加，從而導(dǎo)致了 PN結(jié)的齊納擊穿。 四 . PN結(jié)的電容效應(yīng) Home Next Back 1. 勢(shì)壘電容 Cb 圖 勢(shì)壘電容示意圖 PN結(jié)外加電壓變化，空間電荷區(qū)的寬度將隨之變化 ，即耗盡層的