【正文】 電子技術(shù)基礎(chǔ) 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 1 半導(dǎo)體的基本知識 2 半導(dǎo)體二極管 3 特殊二極管 4 雙極型三極管 5 單極型三極管 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 學(xué)習(xí)目的與要求 了解本征半導(dǎo)體、 P型和 N型半導(dǎo)體的特征及 PN結(jié)的形成過程；熟悉二極管的伏安特性及其分類、用途；理解三極管的電流放大原理，掌握其輸入和輸出特性的分析方法；理解雙極型和單極型三極管在控制原理上的區(qū)別；初步掌握工程技術(shù)人員必需具備的分析電子電路的基本理論、基本 知識和基本技能。 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 半導(dǎo)體的基本知識 繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子 帶負電 。 自然界的一切物質(zhì)都是由分子、原子組成的。 原子又由一個帶正電的原子核和在它周圍高速旋轉(zhuǎn)著的帶有負電的電子組成。 正電荷 負電荷 = 原子結(jié)構(gòu)中： 原子核 ＋ 原子核中有質(zhì)子和中子， 其中質(zhì)子 帶正電 ，中子不帶 電。 1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 （ 1） 導(dǎo)體 導(dǎo)體的最外層電子數(shù)通常是 1~3個，且距原子核較遠，因此受原子核的束縛力較小。由于溫度升高、振動等外界的影響，導(dǎo)體的最外層電子就會獲得一定能量，從而掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子。因此，導(dǎo)體在常溫下存在大量的自由電子，具有良好的導(dǎo)電能力。常用的導(dǎo)電材料有銀、銅、鋁、金等。 原子核 ＋ 導(dǎo)體的特點： 內(nèi)部含有大量的自由電子 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 （ 2） 絕緣體 絕緣體的最外層電子數(shù)一般為 6~8個，且距原子核較近，因此受原子核的束縛力較強而不易掙脫其束縛。 常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子，因此導(dǎo)電能力極差或不導(dǎo)電。 常用的絕緣體材料有橡膠、云母、陶瓷等。 原子核 ＋ 絕緣體的特點： 內(nèi)部幾乎沒有自由電子，因此不導(dǎo)電。 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 （ 3） 半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為 4個，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而在常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等。 原子核 ＋ 半導(dǎo)體的特點： 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但具有光敏性、熱敏性和參雜性的獨特性能，因此在電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在 105s/cm量級；塑料、云母等絕 緣體的電導(dǎo)率通常是 1022~1014s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 則在 109~102s/cm量級。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo) 體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨特性能決定的： 光敏性 —— 半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強； 熱敏性 —— 受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大； 摻雜性 —— 在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電 能力極大地增強； 半導(dǎo)體材料的獨特性能是由其 內(nèi)部的導(dǎo)電機理 所決定的。 2. 半導(dǎo)體的獨特性能 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 3. 本征半導(dǎo)體 最常用的半導(dǎo)體為硅 (Si)和鍺 (Ge)。它們的共同特征是四價 元素，即每個原子最外層電子數(shù)為 4個。 + + Si(硅原子 ) Ge(鍺原子 ) 硅原子和鍺原子的簡化模型圖 Si +4 Ge +4 因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的 +4符號表示即可。 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 天然的 硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過高度提純，形成 晶格結(jié)構(gòu)完全對稱的 本征半導(dǎo)體 。 本征 半導(dǎo)體原子核最外層的價電子都是 4個，稱為四價元 素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。在本征半導(dǎo)體的晶格 結(jié)構(gòu)中，每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合，即與相鄰四 個原子的價電子兩兩組成電子對，構(gòu)成 共價鍵結(jié)構(gòu) 。 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 實際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。 晶格結(jié)構(gòu) 共價鍵結(jié)構(gòu) 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個原子外層都具有 8個價電子。但價電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。 在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。 受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為 自由電子 。 由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為 本征激發(fā) 。 本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部 自由電子載流子 運動 的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使 失掉電子的原子變成 帶正電荷的離子。 由于共價鍵是定域的，這些帶正電的離子不會移動，即不能參 與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動的 帶正電離子 。 ＋ ＋ 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進 空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性 。 價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為 復(fù)合 。 此時整個晶體帶電嗎？為什么？ 參與復(fù)合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的 空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價 電子填補空穴的復(fù)合運動使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同 于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子 載流子的運動，我們把 價電子填補空穴的復(fù)合運動稱為 空 穴載流子運動 。 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機理有本質(zhì)上的區(qū)別： 金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中 則是由本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和復(fù)合運動產(chǎn)生的空穴 兩種 載流子 同時參與導(dǎo)電 。兩種載流子電量相等、符號相反，電 流的方向為空穴載流子的方向即自由電子載流子的反方向。 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 自由電子載流子運動可以形 容為沒有座位人的移動；空穴 載流子運動則可形容為有座位 的人依次向前挪動座位的運動。 半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運動總是 共存 的，且在 一定溫度下達到 動態(tài)平衡 。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù) 量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量 雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強 。 + 五價元素磷 (P) ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 P 摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此 自由電子是這種半導(dǎo)體的 導(dǎo)電主流 。 在室溫情況下， 本征硅中的磷雜質(zhì)等于 106數(shù)量級時，電 子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。摻入 五價 元素的雜質(zhì)半導(dǎo) 體由于自由電子多而稱為 電子型 半導(dǎo)體，也叫做 N型 半導(dǎo)體。 4. 本征半導(dǎo)體 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 三價元素硼 (B) B + 摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此 空穴 是這種半導(dǎo)體的 導(dǎo)電主流 。 一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù) 載流子數(shù)量的 1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體 的導(dǎo)電能力可增強幾十萬倍。 摻入 三價 元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自 由電子載流子的數(shù)量而稱為 空穴 型半導(dǎo)體， 也叫做 P型 半導(dǎo)體。 在 P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電 子，而不能移動的離子帶 負電 。 － 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 不論是 N型半導(dǎo)體還是 P型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的 移動都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠大于少子的 數(shù)量，因此起 主要導(dǎo)電作用 的是 多數(shù)載流子 。 注意： 摻入雜質(zhì)后雖然形成了 N型或 P型半導(dǎo)體，但整個半 導(dǎo)體晶體仍然呈電中性。 一般可近似認為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等。 P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否意味著帶正電 ？ 自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的區(qū)別在哪里？空穴載流子的形成是否由自由電子填補空穴的運動形成的？ 何謂雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子和少子 ？ N型半導(dǎo)體中的多子是什么？少子是什么？ 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 5. PN結(jié)及其形成過程 PN結(jié)的形成 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強，但它 們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中， PN結(jié)是一切半導(dǎo) 體器件的“ 元概念 ”和技術(shù)起始點。 在一塊晶片的兩端分別注入三價元素硼和五價元素磷 + + + + + + + + + + + + + + + + － － － － － － － － － － － － － － － － P區(qū) N區(qū) 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場 電子技術(shù)基礎(chǔ) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件 PN結(jié)形成的過程中，多數(shù)載流子的擴散和少數(shù)載流子的漂移 共存