【正文】 第二篇 電子技術(shù)基礎(chǔ) 第 6章 電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件 第 7章 基本放大電路 第 8章 集成運算放大器 第 9章 組合邏輯電路 第 10章 觸發(fā)器和時序邏輯電路 第 11章 存儲器 第 12章 數(shù) /模和模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 半導(dǎo)體的基本知識 特殊二極管 雙極型二極管 單極型三極管 半導(dǎo)體二極管 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；而像塑料、云母、陶瓷等幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)稱為絕緣體；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。自然界中屬于半導(dǎo)體的物質(zhì)有很多種類，目前用來制造半導(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 ? （ 1）通過摻入雜質(zhì)可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。例如，室溫 30176。 C時，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)生電動勢，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，是因為它具有以下特性。 1. 半導(dǎo)體的獨特性能 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。 硅和鍺的簡化原子模型。 這是硅和鍺構(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖 晶體結(jié)構(gòu)中的共價鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，在熱力學(xué)零度和沒有外界能量激發(fā)時，價電子沒有能力掙脫共價鍵束縛，這時晶體中幾乎沒有自由電子，因此不能導(dǎo)電 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，某些共價鍵中的價電子 因熱激發(fā) 而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為 自由電子 ，同時在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為“ 空穴 ” 。 空穴 自由電子 本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子 —空穴對的現(xiàn)象稱為 本征激發(fā)。 顯然在外電場的作用下，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運動形成的 電子電流 ，一是仍被原子核束縛的價電子（不是自由電子）遞補(bǔ)空穴形成的 空穴電流 。 共價鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時，相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵填補(bǔ)到這個空穴中來，使該價電子原來所在的共價鍵中又出現(xiàn)一個空穴，這個空穴又可被相鄰原子的價電子填補(bǔ)，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。 在半導(dǎo)體中同時存在 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。 在純凈的硅（或鍺）中摻入微量的磷或砷等 五價元素 ， 雜質(zhì)原子就替代 了共價鍵中 某些硅原子的位置 ，雜質(zhì)原子的四個價電子與周圍的硅原子結(jié)成共價鍵，剩下的一個價電子處在共價鍵之外，很容易掙脫雜質(zhì)原子的束縛被激發(fā)成自由電子。同時雜質(zhì)原子由于失去一個電子而變成帶正電荷的離子，這個正離子固定在晶體結(jié)構(gòu)中，不能移動，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鍵中的價電子，因此與本征激發(fā)不同，它不會產(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 （簡稱多子）， 空穴為少數(shù) 載流子 （簡稱少子）；不能移動的 離子帶正電 。 （ 2）雜質(zhì)半導(dǎo)體 相對金屬導(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 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 接收一個價電子 而成為 不能移動 的負(fù)離子，故稱為受主原子 。 摻入三價元素的雜質(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)成共價鍵時，將因缺少一個價電子而形成一個空穴。當(dāng)相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下獲得能量時，就有可能填補(bǔ)這個空穴，使硼原子 得電子 而成為 不能移動的負(fù)離子 ；而原來的硅原子共價鍵則因 缺少 一個電子，出現(xiàn)一個 空穴 。于是半導(dǎo)體中的空穴數(shù)目大量增加。 空穴成為多數(shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子 。 正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個由 N區(qū)指向 P區(qū)的電場，稱為 內(nèi)電場 ，它 對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動起阻擋作用 ，所以空間電荷區(qū)又稱為 阻擋層 。同時，內(nèi)電場對少數(shù)載流子起推動作用，把 少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為 漂移運動 。 3. PN結(jié) P型和 N型半導(dǎo)體并不能直接用來制造半導(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或五價雜質(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）和得到一個電子的三價雜質(zhì)負(fù)離子， N區(qū)僅畫出自由電子（多數(shù)載流子）和失去一個電子的五價雜質(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 。 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)散運動逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運動則逐漸增強(qiáng)，最后兩者達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來， PN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。 － － － － － － － － － －