【正文】 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 半導(dǎo)體的基本知識(shí) 晶體管 基本放大電路 半導(dǎo)體二極管 第 1頁(yè) 基本開關(guān)電路 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 物質(zhì)按導(dǎo)電能力的不同可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 3類。日常生活中接觸到的金、銀、銅、鋁等金屬都是良好的導(dǎo)體，它們的電導(dǎo)率在 105Scm1量級(jí)；而像塑料、云母、陶瓷等幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)稱為絕緣體，它們的電導(dǎo)率在 1022~1014Scm1量級(jí)；導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，它們的電導(dǎo)率在 109~102Scm1量級(jí)。自然界中屬于半導(dǎo)體的物質(zhì)有很多種類，目前用來(lái)制造半導(dǎo)體器件的材料大多是提純后的單晶型半導(dǎo)體，主要有硅 (Si)、鍺 (Ge)和砷化鎵（ GaAs)等。 半導(dǎo)體的基本知識(shí) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) ? （ 1）通過(guò)摻入雜質(zhì)可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。例如，室溫 30176。 C時(shí)，在純凈鍺中摻入一億分之一的雜質(zhì)（稱摻雜），其電導(dǎo)率會(huì)增加幾百倍。 ? （ 2）溫度可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。利用這種熱敏效應(yīng)可制成熱敏器件，但另一方面，熱敏效應(yīng)使半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性下降。因此，在半導(dǎo)體構(gòu)成的電路中常采用溫度補(bǔ)償及穩(wěn)定參數(shù)等措施。 ? （ 3）光照不僅可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，還可以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)可制成光敏電阻、光電晶體管、光電耦合器和光電池等。光電池已在空間技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，為人類利用太陽(yáng)能提供了廣闊的前景。 半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂幸韵绿匦浴? 1. 半導(dǎo)體的獨(dú)特性能 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 由此可以看出：半導(dǎo)體不僅僅是電導(dǎo)率與導(dǎo)體有所不同，而且具備上述特有的性能，正是利用這些特性，使今天的半導(dǎo)體器件取得了舉世矚目的發(fā)展。 2. 本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體 （ 1）天然的硅和鍺提純后形成單晶體，稱為本征半導(dǎo)體 一般情況下，本征半導(dǎo)體中的載流子濃度很小，其導(dǎo)電能力較弱，且受溫度影響很大，不穩(wěn)定，因此其用途還是很有限的。 硅和鍺的簡(jiǎn)化原子模型。 這是硅和鍺構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖 晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，在熱力學(xué)零度和沒(méi)有外界能量激發(fā)時(shí)，價(jià)電子沒(méi)有能力掙脫共價(jià)鍵束縛，這時(shí)晶體中幾乎沒(méi)有自由電子，因此不能導(dǎo)電 第 3頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時(shí)，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價(jià)鍵的束縛成為 自由電子 ，同時(shí)在原來(lái)的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為“ 空穴 ” 。 空穴 自由電子 本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子 —空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為 本征激發(fā)。 顯然在外電場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成的 電子電流 ，一是仍被原子核束縛的價(jià)電子（不是自由電子）遞補(bǔ)空穴形成的 空穴電流 。 共價(jià)鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時(shí)，相鄰原子的價(jià)電子比較容易離開它所在的共價(jià)鍵填補(bǔ)到這個(gè)空穴中來(lái)，使該價(jià)電子原來(lái)所在的共價(jià)鍵中又出現(xiàn)一個(gè)空穴，這個(gè)空穴又可被相鄰原子的價(jià)電子填補(bǔ)，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。 在半導(dǎo)體中同時(shí)存在 自由電子 和 空穴 兩種 載流子參與導(dǎo)電，這種導(dǎo)電機(jī)理和金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理具有本質(zhì)上的區(qū)別。 第 3頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 在純凈的硅（或鍺）中摻入微量的磷或砷等五價(jià)元素，雜質(zhì)原子就替代了共價(jià)鍵中某些硅原子的位置，雜質(zhì)原子的四個(gè)價(jià)電子與周圍的硅原子結(jié)成共價(jià)鍵，剩下的一個(gè)價(jià)電子處在共價(jià)鍵之外，很容易掙脫雜質(zhì)原子的束縛被激發(fā)成自由電子。同時(shí)雜質(zhì)原子由于失去一個(gè)電子而變成帶正電荷的離子，這個(gè)正離子固定在晶體結(jié)構(gòu)中，不能移動(dòng)，所以它不參與導(dǎo)電 。 雜質(zhì)離子產(chǎn)生的自由電子不是共價(jià)鍵中的價(jià)電子，因此與本征激發(fā)不同，它不會(huì)產(chǎn)生空穴 。 由于多余的電子是雜質(zhì)原子提供的，故將雜質(zhì)原子稱為 施主原子 。 摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，其自由電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，因此稱為 電子型 半導(dǎo)體，也叫做 N型 半導(dǎo)體。 在 N型 半導(dǎo)體中， 自由電子為多數(shù) 載流子（簡(jiǎn)稱多子）， 空穴為少數(shù) 載流子（簡(jiǎn)稱少子）；不能移動(dòng)的 離子帶正電 。 （ 2）雜質(zhì)半導(dǎo)體 相對(duì)金屬導(dǎo)體而言，本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少，因此導(dǎo)電能力仍然很低。在如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，將使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化，我們把這些摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為 雜質(zhì)半導(dǎo)體。 雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為 N型和 P型 兩大類。 N型半導(dǎo)體 第 3頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 不論是 N型半導(dǎo)體還是 P型半導(dǎo)體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但晶體中帶電粒子的正、負(fù)電荷數(shù)相等，仍然呈電中性而不帶電。 應(yīng)注意： P型半導(dǎo)體 在 P型半導(dǎo)體中，由于雜質(zhì)原子可以 接收一個(gè)價(jià)電子 而成為 不能移動(dòng) 的負(fù)離子，故稱為受主原子 。 摻入三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，其空穴的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子的濃度，因此稱為 空穴型半導(dǎo)體，也叫做 P型 半導(dǎo)體。 在硅（或鍺）晶體中摻入微量的 三價(jià)元素 雜質(zhì)硼（或其他），硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，將因缺少一個(gè)價(jià)電子而形成一個(gè)空穴。當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子受到熱振動(dòng)或在其他激發(fā)條件下獲得能量時(shí)，就有可能填補(bǔ)這個(gè)空穴，使硼原子得電子而成為不能移動(dòng)的負(fù)離子；而原來(lái)的硅原子共價(jià)鍵則因缺少一個(gè)電子，出現(xiàn)一個(gè)空穴。于是半導(dǎo)體中的空穴數(shù)目大量增加?？昭ǔ蔀槎鄶?shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。 第 3頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個(gè)由 N區(qū)指向 P區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)電場(chǎng)，它對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)少數(shù)載流子起推動(dòng)作用，把少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為 漂移運(yùn)動(dòng) 。 3. PN結(jié) P型和 N型半導(dǎo)體并不能直接用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。通常是在 N型或P型半導(dǎo)體的局部再摻入濃度較大的三價(jià)或五價(jià)雜質(zhì)，使其變?yōu)?P型或 N型半導(dǎo)體，在 P型和 N型半導(dǎo)體的交界面就會(huì)形成 PN結(jié)。 PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ) 。 左圖所示的是一塊晶片，兩邊分別形成 P型和 N型半導(dǎo)體。為便于理解，圖中 P區(qū)僅畫出空穴（多數(shù)載流子）和得到一個(gè)電子的三價(jià)雜質(zhì)負(fù)離子， N區(qū)僅畫出自由電子（多數(shù)載流子）和失去一個(gè)電子的五價(jià)雜質(zhì)正離子。根據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高的 P區(qū)向 N區(qū)擴(kuò)散，自由電子要從濃度高的 N區(qū)向 P區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生復(fù)合 (耗盡），形成載流子極少的正負(fù)空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)域，這就是 PN結(jié) ，又叫 耗盡層 。 第 3頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 空間電荷區(qū) PN結(jié)中的擴(kuò)散和漂移是相互聯(lián)系，又是相互矛盾的。在一定條件（例如溫度一定）下，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)則逐漸增強(qiáng)，最后兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來(lái)， PN結(jié)就處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + PN結(jié)的形成演示 根據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高的 P區(qū)向 N區(qū)擴(kuò)散，自由電子要從濃度高的 N區(qū)向 P區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生復(fù)合 (耗盡），形成載流子極少的正負(fù)空間電荷區(qū)（如上圖所示），也就是 PN結(jié) ，又叫 耗盡層 。 P區(qū) N區(qū) 空間電荷區(qū) 第 3頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 少子 漂移 擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的 PN結(jié) P 區(qū) N 區(qū) 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 多子 擴(kuò)散 形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng) 促使 阻止 P 區(qū) 空間電荷區(qū) N 區(qū) PN 結(jié)及其內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)方向 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 第 3頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)相互聯(lián)系又相互矛盾， 擴(kuò)散使空間電荷區(qū)加寬，促使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng) ，同時(shí)對(duì)多數(shù)載流子的繼續(xù)擴(kuò)散阻力增大，但使少數(shù)載流子漂移增強(qiáng)； 漂移使空間電荷區(qū)變窄，電場(chǎng)減弱 ，又促使多子的擴(kuò)散容易進(jìn)行。 繼續(xù)討論 當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)， PN結(jié)便處于 動(dòng)態(tài)平衡 狀態(tài)?？梢韵胂螅谄胶鉅顟B(tài)下，電子從 N區(qū)到 P區(qū)擴(kuò)散電流必然等于從 P區(qū)到 N區(qū)的漂移電流，同樣，空穴的擴(kuò)散電流和漂移電流也必然相等。即 總的多子擴(kuò)散電流等于總的少子漂移電流，且二者方向相反 。 在無(wú)外電場(chǎng)或其他因素激發(fā)時(shí)， PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒(méi)有電流通過(guò)，空間電荷區(qū)的寬度一定。 由于空間電荷區(qū)內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對(duì)方，或被對(duì)方擴(kuò)散過(guò)來(lái)的多數(shù)載流子復(fù)合掉了，即多數(shù)載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層，其電阻率很高，為高阻區(qū) 。擴(kuò)散作用越強(qiáng)，耗盡層越寬。 PN結(jié)具有電容效應(yīng)。結(jié)電容是由耗盡層引起的。耗盡層中有不能移動(dòng)的正、負(fù)離子，各具有一定的電量，當(dāng)外加電壓使耗盡層變寬時(shí)，電荷量增加，反之，外加電壓使耗盡層變窄時(shí)，電荷量減小。這樣耗盡層中的電荷量隨外加電壓變化而改變時(shí)，就形成了電容效應(yīng)。 第 3頁(yè) 跳轉(zhuǎn)到第一頁(yè) 3. PN結(jié)的單向?qū)щ娦? PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，也是?PN結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。 ?