【正文】 半導(dǎo)體的物理特性 PN結(jié)的形成 半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體三極管 場效應(yīng)管 電子電路由許多半導(dǎo)體元器件組成（半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管、場效應(yīng)管等） → 半導(dǎo)體導(dǎo)電過程 → 半導(dǎo)體器件的基本組成部分 PN結(jié) → 半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)。 本征半導(dǎo)體 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。 常用的半導(dǎo)體材料有：元素半導(dǎo)體，如 硅 Si和 鍺Ge； 化合物半導(dǎo)體 砷化鎵 GaAs； 以及摻雜或制成其他化合物半導(dǎo)體的材料，如 硼（ B）、磷（ P）、銦（ In）和銻（ Sb） 等。 半導(dǎo)體特性： ?導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 ?受到外界光和熱的刺激時，導(dǎo)電能力發(fā)生顯著改變 ?在純凈半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加 半導(dǎo)體 — 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。 本征半導(dǎo)體 — 化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體 ,制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到 %，常稱為 “ 九個 9”。 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。如硅、鍺單晶體。 硅（鍺）的原子結(jié)構(gòu)，四價元素，物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)由價電子決定 Si 2 8 4 Ge 2 8 18 4 簡化 模型 +4 慣性核 價電子 (1） 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見下圖 硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 (a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 (c) （ 2）電子空穴對 本征激發(fā)和復(fù)合的過程圖 可見因光或熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為 電子空穴對 。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為 復(fù)合 ，本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡 。 1 2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 分為兩類： (1) N型半導(dǎo)體 (2) P型半導(dǎo)體 提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為 正離子 ，因此五價雜質(zhì)原子也稱為 施主雜質(zhì) 。 (1） N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導(dǎo)體 ,也稱 電子型半導(dǎo)體 。 在 N型半導(dǎo)體中 自由電子是多數(shù)載流子 ,它主要由雜質(zhì)原子提供； 空穴是少數(shù)載流子 , 由熱激發(fā)形成。 (2) P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了 P型半導(dǎo)體， 也稱為 空穴型半導(dǎo)體 。 P型半導(dǎo)體中 空穴是多數(shù)載流子， 主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為 負離子 。三價雜質(zhì) 因而也稱為 受主雜質(zhì) 。 P 型 半 導(dǎo) 體 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 ? 漂移運動：兩種載流子（電子和空穴）在電場的作用 下產(chǎn)生的運動。其運動產(chǎn)生的電流方向一致。 ? 擴散運動：由于載流子 濃度的差異 ，而形成濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散，產(chǎn)生擴散運動。 半導(dǎo)體的載流子運動和溫度特性 一、載流子的運動 PN結(jié) 一、 PN結(jié)的形成 二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 三、 PN結(jié)的擊穿特性 四、 PN結(jié)的電容效應(yīng) 一、 PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì) ,分別形成 N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體。此時將在 N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程 : 最后 ,多子的 擴散 和少子的 漂移 達到 動態(tài)平衡 。 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的 空間電荷區(qū) 稱為 PN結(jié) 。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱 耗盡層 。 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從 P區(qū)流到N區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 一、 PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì) ,分別形成 N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體。此時將在 N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程 : (1) PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況 PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況圖 (2) PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。 PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況圖 PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流； PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論： PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴? 二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 如果外加電壓使 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 ，簡稱正偏 ； P區(qū)的電位低于 N區(qū)的電位，稱為加 反向電壓 ，簡稱反偏 。 三、 PN結(jié)的擊穿特性 當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓 UBR時，反向電流將急劇增大，而 PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大，此現(xiàn)象稱為 PN結(jié)的反向擊穿。有兩種解釋： 一、雪崩擊穿 二、齊納擊穿 ? 雪崩擊穿： 當(dāng)反向電壓足夠高時（ U6V）PN結(jié)中內(nèi)電場較強，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。 ? 齊納擊穿： 對摻雜濃度高的半導(dǎo)體， PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（ U4V），耗盡層可獲得很大的場強，足以將價電子從共價鍵中拉出來，而獲得更多的電子空穴對，使反向電流驟增。 四、 PN結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)的兩端電壓變化時，引起的 PN結(jié)內(nèi)電荷變化，即為 PN結(jié)的電容效應(yīng)。 PN結(jié)的電容有兩種： 一是勢壘電容 CB ， (Barrier、 Build) 二是擴散電容 CD 。 (diffuse) (1) 勢壘電容 CB PN結(jié)兩端電壓改變時，阻擋層厚薄也發(fā)生變化，從而引起阻擋層 (空間電荷區(qū)、耗盡層、勢壘區(qū) )內(nèi)電荷變化，從而顯示出 PN結(jié)的電容效應(yīng)，勢壘電容 CB是用來描述勢壘區(qū)的空間電荷隨電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)的。 (2) 擴散電容 CD PN結(jié)正向偏置時，多數(shù)載流子在擴散過程中引起電荷積累（即積累在 P區(qū)的電子和 N區(qū)的空穴），正向電壓變化時，積累在 P區(qū)的電子和 N區(qū)的空穴隨外加電壓的變化就構(gòu)成了 PN結(jié)的擴散電容。 墊壘電容 CB正比于 PN結(jié)面積 S，反比于耗盡區(qū)厚度 ，類似于平行板電容器 ，但勢壘電容的 是 隨外加電壓而變的。 ①電路上勢壘電容和結(jié)電阻并聯(lián)； ②反偏時，結(jié)電阻很大，勢壘電容小，但高頻時的影響不能忽視； ③正偏時，結(jié)電阻很小，勢壘電容大，其作用反而較小。 ???SC ? ?結(jié)論：勢壘電容在反向偏置時顯得更為重要。 分析證明 PN結(jié)正向偏置時，積累在 P區(qū)的電子和 N區(qū)的空穴隨正向 電壓的增加而很快增加，擴散電容較大，而反向偏置時， 載流子數(shù)目很少，因此反向時擴散電容很小，一般可以 忽略。 半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線 半導(dǎo)體二極管的參數(shù) 半導(dǎo)體二極管的等效模型 半導(dǎo)體二極管的型號 特殊二極管 半導(dǎo)體二極管圖片 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型 在 PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有 點接觸型、面接觸型和平面型 三大類。 (1) 點接觸型二極管 — PN結(jié)面積小，結(jié)電容小， 用于高頻檢波，小電流整流和 開關(guān)電路中。 (a)點接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 電容對交流信號的 阻礙作用稱為容抗， 它與交流信號的頻 率和電容量有關(guān)。 容抗 XC=1/2πfc (f表示交流信號的 頻率， C表示電容 容量 ) (c)平面型 (3)平面型二極管（擴散法） (2)面接觸型二極管 (合金法 ) PN結(jié)面積大，用 于大電流整流電路。 (b)面接觸型 往往用于集成電路制造 工藝中 。 PN 結(jié)面積可大可 小 ， 用于高頻整流和開關(guān) 電路中 。 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線 式中 IS 為反向飽和電流， V 為二極管兩端的電壓降， VT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量， k為玻耳茲曼常數(shù)， q 為電子電荷量， T 為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng) T=300 K），則有 VT=26 mV。 )1(e TS ?? VVII 半導(dǎo)體二極管的伏安特性 ,根據(jù)理論推導(dǎo)如 所示。 () 二極管的伏安特性曲線 根據(jù)理論 式 ，可作圖得： )1(e TS ?? VVII(1) 正向特性 硅二極管的死區(qū)電壓Vth= V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth= V左右。 當(dāng) 0＜ V＜ Vth時，正向電流為零， Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。 當(dāng) V＞ 0即處于正向特性區(qū)域。 正向區(qū)又分為兩段： 當(dāng) V＞ Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。 (2) 反向特性 當(dāng) V＜ 0時，即處于反向特性區(qū)域。 反向區(qū)也分兩個區(qū)域： 當(dāng) VBR＜ V＜ 0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流 IS 。 當(dāng) V≥V BR時，反向電流急劇增加， VBR稱為反向擊穿電壓 。 在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。 硅二極管的反向擊穿特性比較硬 、 比較陡 ， 反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟 ， 過渡比較圓滑 ， 反向飽和電流較大 。 從擊穿的機理上看，硅二極管若 |VBR|≥7V 時 , 主要是雪崩擊穿；若 |VBR|≤4V 時 , 則主要是齊納擊 穿。當(dāng)在 4V～ 7V之間兩種擊穿都有。 半導(dǎo)體二極管的參數(shù) (1) 最大整流電流 IF—— 二極管長期連續(xù)工 作時，允許通過二 極管的最大整流 電流的平均值。 (2) 反向擊穿電壓 VBR——— 二極管反向電流 急劇增加時對應(yīng)的反向 電壓值稱為反向擊穿 電壓 VBR。 為安全計，在實際 工作時，最大反向工作電壓 VRM一般只按反向擊穿電壓 VBR的一半計算。 (3) 最大反向工作電壓 VRM——— (4) 反向電流 IR 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安 (nA)級；鍺二極管在微安 (?A)級。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約～ ；鍺二極管約 ～ 。 反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然， rd與工作電流的大小有關(guān)，即 rd =?VF /?IF (5) 正向壓降 VF (6) 動態(tài)電阻 rd iD/mA uD/V 半導(dǎo)體二極管的等效模型 線性化：用線性電路的方法來處理，將非線性器件用恰當(dāng)?shù)脑M行等效，建立相應(yīng)的模型。 （ 1）理想二極管模型：相當(dāng)于一個理想開關(guān)，正偏時二極管導(dǎo)通管壓降為 0V，反偏時電阻無窮大，電流為零。在實際電路中，當(dāng)電源電壓遠比二極管的管壓降大時，用此模型。 iD/mA uD/V （ 2）理想二極管串聯(lián)恒壓降模型：二極管導(dǎo)通后， 其管壓降認為是恒定的，且不隨電流而變，典型值 為 。 該模型提供了合理的近似，用途廣泛 。注 意：二極管電流近似等于或大于 1mA正確。 （ 3）折線模型：修正恒壓降模型，認為二極管 的管壓降不是恒定的，而隨二極管的電流增加而 增加，模型中用一個電池和電阻 rD來作進一步 的近似，此電池的電壓選定為二極管的門坎電壓 Vth，約為 ， rD的值為 200歐。由于二極管的 分散性， Vth、 rD的值不是固定的。 iD/mA uD/V （ 4）小信號模型：如果二極管在它的 VI特性的 某一小范圍內(nèi)工作，例如靜態(tài)工作點 Q（此時有 uD=UD、 iD=ID）附近工作，則可把 VI特性看成 一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所求的小信號模型 的微變