【正文】 第一章 半導體器件 半導體的特性 半導體二極管 雙極型三極管 (BJT) 場效應三極管 半導體的特性 1. 導體： 電阻率 ? 104 ? cm 的物質(zhì) 。 如銅 、銀 、 鋁等金屬材料 。 2. 絕緣體： 電阻率 ? 109 ? cm 物質(zhì) 。 如橡膠 、塑料等 。 3. 半導體： 導電性能介于導體和半導體之間的物質(zhì) 。 大多數(shù)半導體器件所用的主要材料是硅 (Si)和鍺(Ge)。 半導體導電性能是由其原子結構決定的 。 硅原子結構 圖 硅原子結構 (a)硅的原子結構圖 最外層電子稱 價電子 價電子 鍺原子也是 4 價元素 4 價元素的原子常常用+ 4 電荷的正離子和周圍 4個價電子表示 。 +4 (b)簡化模型 本征半導體 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 完全純凈的 、 不含其他雜質(zhì)且具有晶體結構的半導體稱為本征半導體 。 將硅或鍺材料提純便形成單晶體 ， 它的原子結構為共價鍵結構 。 價電子 共價鍵 圖 單晶體中的共價鍵結構 當溫度 T = 0 K 時 ， 半導體不導電 ， 如同絕緣體 。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 圖 本征半導體中的 自由電子和空穴 自由電子 空穴 若 T ? ， 將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為 自由電子 ， 在原來的共價鍵中留下一個空位 ——空穴 。 T ? 自由電子 和 空穴 使 本征半導體具有導電能力 ，但很微弱 。 空穴可看成帶正電的載流子 。 1. 半導體中兩種載流子 帶負電的 自由電子 帶正電的 空穴 2. 本征半導體中 ， 自由電子和空穴總是成對出現(xiàn) ，稱為 電子 空穴對 。 3. 本征半導體中 自由電子 和 空穴 的濃度 用 ni 和 pi 表示 ， 顯然 ni = pi 。 4. 由于物質(zhì)的運動 ， 自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復合 。 在一定的溫度下 ， 產(chǎn)生與復合運動會達到平衡 ， 載流子的濃度就一定了 。 5. 載流子的濃度與溫度密切相關 ， 它隨著溫度的升高 ， 基本按指數(shù)規(guī)律增加 。 雜質(zhì)半導體 雜質(zhì)半導體有兩種 N 型半導體 P 型半導體 一、 N 型半導體 在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價 雜質(zhì)元素 ， 如磷 、 銻 、 砷等 ， 即構成 N 型半導體 (或稱電子型半導體 )。 常用的 5 價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。 本征半導體摻入 5 價元素后 ， 原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替 。 雜質(zhì)原子最外層有 5 個價電子 ， 其中 4 個與硅構成共價鍵 ， 多余一個電子只受自身原子核吸引 ， 在室溫下即可成為自由電子 。 自由電子濃度遠大于空穴的濃度 ， 即 n p 。 電子稱為多數(shù)載流子 (簡稱多子 )， 空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子 )。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5自由電子 施主原子 圖 N 型半導體的晶體結構 二、 P 型半導體 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價 雜質(zhì)元素 ， 如硼 、 鎵 、 銦等 ， 即構成 P 型半導體 。 +3 空穴濃度多于電子濃度 ， 即 p n。 空穴為多數(shù)載流子 ， 電子為少數(shù)載流子 。 3 價雜質(zhì)原子稱為受主原子 。 受主原子 空穴 圖 P 型半導體的晶體結構 說明： 1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度 。 3. 雜質(zhì)半導體總體上保持電中性。 4. 雜質(zhì)半導體的表示方法如下圖所示。 2. 雜質(zhì)半導體 載流子的數(shù)目 要遠遠高于本征半導體 ， 因而其導電能力大大改善 。 (a)N 型半導體 (b) P 型半導體 圖 雜質(zhì)半導體的的簡化表示法 半導體二極管 PN 結及其單向?qū)щ娦? 在一塊半導體單晶上一側摻雜成為 P 型半導體 ， 另一側摻雜成為 N 型半導體 ， 兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層 ， 稱為 PN 結 。 P N PN結 圖 PN 結的形成 一、 PN 結中載流子的運動 耗盡層 空間電荷區(qū) P N 1. 擴散運動 2. 擴散運動形成空間電荷區(qū) 電子和空穴濃度差形成 多數(shù)載流子的擴散運動 。 —— PN 結 ， 耗盡層 。 圖 P N 3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場 P N 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場 UD 空間電荷區(qū)正負離子之間電位差 UD —— 電位壁壘 ； —— 內(nèi)電場 ；內(nèi)電場阻止多子的擴散 —— 阻擋層 。 4. 漂移運動 內(nèi)電場有利于少子運動 —漂移 。 少子的運動與多子運動方向相反 阻擋層 圖 (b) 5. 擴散與漂移的動態(tài)平衡 擴散運動使空間電荷區(qū)增大 ， 擴散電流逐漸減?。? 隨著內(nèi)電場的增強 ， 漂移運動逐漸增加； 當擴散電流與漂移電流相等時 ， PN 結總的電流 空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米 ~ 幾十微米； 等于零 ， 空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定 。 即 擴散運動與 漂移運動達到動態(tài)平衡 。 電壓壁壘 UD， 硅材料約為 ( ~ ) V, 鍺材料約為 ( ~ ) V。 二、 PN 結的單向?qū)щ娦? 1. PN 外加正向電壓 又稱正向偏置，簡稱正偏。 外電場方向 內(nèi)電場方向 空間電荷區(qū) V R I 空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。 圖 P N 在 PN 結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。 2. PN 結 外加反向電壓 (反偏 ) 反向接法時 ， 外電場與內(nèi)電場的方向一致 ， 增強了內(nèi)電場的作用； 外電場使空間電荷區(qū)變寬； 不利于擴散運動 ， 有利于漂移運動 ， 漂移電流大于擴散電流 ， 電路中產(chǎn)生反向電流 I ； 由于少數(shù)載流子濃度很低 ， 反向電流數(shù)值非常小 。 空間電荷區(qū) 圖 反相偏置的 PN 結 反向電流又稱 反向飽和電流 。 對溫度十分敏感 ， 隨著溫度升高 ， IS 將急劇增大 。 P N 外電場方向 內(nèi)電場方向 V R IS 綜上所述： 當 PN 結正向偏置時 ， 回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流 ， PN 結處于 導通狀態(tài) ；當 PN 結反向偏置時 ， 回路中反向電流非常小 ， 幾乎等于零 ， PN 結處于 截止狀態(tài) 。 可見 ， PN 結具有 單向?qū)щ娦?。 二極管的伏安特性 將 PN 結封裝在塑料 、 玻璃或金屬外殼里 ， 再從 P 區(qū)和 N 區(qū)分別焊出兩根引線作正 、 負極 。 二極管的結構： (a)外形圖 半導體二極管又稱晶體二極管。 (b)符號 圖 二極管的外形和符號 半導體二極管的類型： 按 PN 結結構 分： 有點接觸型和面接觸型二極管 。 點接觸型管子中不允許通過較大的電流 ， 因結電容小 ， 可在高頻下工作 。 面接觸型二極管 PN 結的面積大 ， 允許流過的電流大 ， 但只能在較低頻率下工作 。 按用途劃分： 有整流二極管 、 檢波二極管 、 穩(wěn)壓二極管 、 開關二極管 、 發(fā)光二極管 、 變?nèi)荻O管等 。 按半導體材料分： 有硅二極管 、 鍺二極管等 。 二極管的伏安特性 在二極管的兩端加上電壓 ， 測量流過管子的電流 ，I = f (U )之間的關系曲線 。 60 40 20 – – 0 –25 –50 I / mA U / V 正向特性 硅管的伏安特性 死區(qū)電壓 擊穿電壓 U(BR) 反向特性 – 50 I / mA U / V – 25 5 10 15 – – 鍺管的伏安特性 0 圖 二極管的伏安特性 1. 正向特性 當正向電壓比較小時 ， 正向電流很小 ， 幾乎為零 。 相應的電壓叫 死區(qū)電壓 。 范圍稱 死區(qū) 。 死區(qū)電壓 與材料和溫度有關 ， 硅管約 V 左右 ， 鍺管約 V 左右 。 正向特性 死區(qū)電壓 60 40 20 0 I / mA U / V 當正向電壓超過死區(qū)電壓后 ，隨著電壓的升高 ， 正向電流迅速增大 。 2. 反向特性 – – 0 –25 –50 I / mA U / V 反向特性 當電壓超過零點幾伏后 ，反向電流不隨電壓增加而增大 ， 即飽和； 二極管加反向電壓 ， 反向電流很?。? 如果反向電壓繼續(xù)升高 ， 大到一定數(shù)值時 ， 反向電流會突然增大； 反向飽和電流 這種現(xiàn)象稱 擊穿