【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電子也可能跳入空穴，重新為共價(jià)鍵束縛，電子與空穴同時(shí)消失（稱(chēng)為復(fù)合），復(fù)合機(jī)率取決于自由電子與空穴濃度，濃度越高，發(fā)生復(fù)合機(jī)會(huì)越大。由于自由電子與空穴產(chǎn)生速率與溫度有關(guān)，所以載流子的本征濃度對(duì)溫度很敏感。如硅晶體，溫度每升高11度，濃度增加一倍。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是由兩種載流子（自由電子和空穴）的濃度決定的，但在實(shí)際應(yīng)用中，通用電子器件的導(dǎo)電性能主要由一種載流子的濃度決定，這種材料可通過(guò)向本征半導(dǎo)體中摻入少量其他元素形成，叫做雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體向本征半導(dǎo)體中摻入微量五價(jià)元素，如銻，就可得到n型半導(dǎo)體。在晶體結(jié)構(gòu)的某些位置上，銻原子取代了原來(lái)的硅原子，銻原子的五個(gè)價(jià)電子中有四個(gè)與相鄰原子形成共價(jià)鍵，第五個(gè)價(jià)電子處于共價(jià)鍵之外，受的束縛很小，只吸收很少的熱能就可以掙脫原子束縛成為自由電子。因?yàn)樽杂呻娮邮怯晌鍍r(jià)原子提供，該原子稱(chēng)為施主原子，除銻以外，砷和磷也可用作施主雜質(zhì)。摻入施主原子后，自由電子的數(shù)目大大增加的同時(shí)也增加了與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)，因此空穴的平衡濃度降低。因?yàn)槭┲髟拥臐舛冗h(yuǎn)大于本征濃度，而自由電子的濃度近似等于施主原子濃度，所以空穴濃度非常小，因此這種半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，以自由電子導(dǎo)電為主，這類(lèi)半導(dǎo)體稱(chēng)n（negative）型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體類(lèi)似，如果某種半導(dǎo)體的導(dǎo)電以空穴導(dǎo)電為主，則需將本征硅晶體結(jié)構(gòu)中的某些硅原子由三價(jià)原子（如硼、鋁等）替代。這些雜質(zhì)原子與周?chē)柙咏M成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)電子，在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空位，當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子獲得足夠能量時(shí)，就有可能填補(bǔ)這個(gè)空位，使雜質(zhì)原子成為不能移動(dòng)的負(fù)離子，而價(jià)電子原來(lái)所處位置上出現(xiàn)一個(gè)空穴。因此，每摻入一個(gè)三價(jià)原子，就產(chǎn)生一個(gè)空穴，由于這些雜質(zhì)原子能接受電子，稱(chēng)為受主原子。同理，因?yàn)閺?fù)合機(jī)會(huì)增加的原因，自由電子濃度減小，空穴是多數(shù)載流子，以空穴導(dǎo)電為主，這類(lèi)半導(dǎo)體稱(chēng)P（positive）型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合，其交界面處就形成了PN結(jié)，從P區(qū)和N區(qū)分別引出一個(gè)電極就形成了結(jié)型二極管。（P加正壓）在電場(chǎng)作用下，P區(qū)中的空穴會(huì)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)N區(qū)中自由電子會(huì)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成正向電流，只要外加一不大的電壓（1V）就可以產(chǎn)生較大的正向電流（微量電壓增加會(huì)使電流迅速增大），相反，若加反向電壓，只會(huì)引起少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，因此反向電流很?。妷涸龃蟮揭欢ㄖ?，反向電流達(dá)到飽和值）。整個(gè)二極管（diode）由一塊半導(dǎo)體晶體形成，只是在其兩邊分別進(jìn)行不同的摻雜。在離開(kāi)PN結(jié)足夠距離（典型的，結(jié)效應(yīng)影響范圍最多幾微米）范圍內(nèi)，載流子的濃度只取決于摻雜濃度。擴(kuò)散是導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)空穴和自由電子運(yùn)動(dòng)的另一種作用過(guò)程，由相應(yīng)的載流子的濃度差引起，空穴由P擴(kuò)散到N，自由電子相反，因此在P和N區(qū)的交界面處形成了一個(gè)空間電荷層，即PN結(jié)，由于結(jié)區(qū)內(nèi)的電荷密度分布，產(chǎn)生了電場(chǎng)，該電場(chǎng)是PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生的，叫內(nèi)電場(chǎng)。因?yàn)檎麄€(gè)晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)電中性，結(jié)區(qū)左右兩側(cè)正、負(fù)電荷的數(shù)目相等，離開(kāi)交界面處一定距離后，內(nèi)電場(chǎng)作用將消失。由于內(nèi)電場(chǎng)的形成，其方向?yàn)镹指向P，會(huì)阻礙空穴和自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，最終形成一種動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)P和N區(qū)中原有的均衡載流子分布被破壞。結(jié)區(qū)是由不能移動(dòng)的正負(fù)離子組成，其內(nèi)部沒(méi)有可移動(dòng)的電荷，載流子都由于復(fù)合而消耗殆盡，所以此區(qū)域又稱(chēng)耗盡區(qū)。二極管電流與所加電壓呈指數(shù)關(guān)系，（反向飽和）電流與溫度密切相關(guān)（理論表達(dá)式中有溫度變量）（溫度上升，少數(shù)載流子濃度增加，因此反向飽和電流增加）。當(dāng)端電壓一定，隨著溫度升高，電流增加，電流一定，隨著結(jié)溫升高，端電壓會(huì)降低。通常結(jié)溫遠(yuǎn)大于外界溫度，所以正常安全工作，二極管結(jié)構(gòu)要給出最大允許功耗值。反向擊穿原理。 雙極結(jié)型晶體管由兩個(gè)結(jié)型二極管組成，以NPN型為例，兩個(gè)N型半導(dǎo)體區(qū)分別為發(fā)射（eject）區(qū)和集電（collector）區(qū)，中間是一層很薄的P型半導(dǎo)體區(qū)，即基區(qū)（base）。正常工作：通過(guò)反射區(qū)的自由電子穿過(guò)正向偏置的發(fā)射結(jié)，然后在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，穿過(guò)反向偏置的集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)。因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，所以集電極電流主要來(lái)自發(fā)射區(qū)的自由電子，而發(fā)射結(jié)的正偏對(duì)集電區(qū)電流具有控制作用，因此實(shí)現(xiàn)小電流控制大電流?；鶚O電流只取決于與基極相連的外部電路。輸入特性本質(zhì)上是一個(gè)正偏二極管（發(fā)射結(jié)二極管）。若合理選擇電路組件，輸入電壓（發(fā)射結(jié)電路端加的電源）的微小變化即可引起輸出電壓（集射間電壓）的很大變化，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)放大（系數(shù)為負(fù)，輸入增加導(dǎo)致輸出降低）。基極電流遠(yuǎn)小于集電極電流，因此由輸入電壓提供的輸入功率遠(yuǎn)小于輸出功率，此部分多余功率由集射間直流電源提供。最早的集成數(shù)字邏輯門(mén)電路使用雙極結(jié)型晶體管作為邏輯元件，晶體管電路是基本共射極電路的各種變體，后來(lái)，這種電路發(fā)展成標(biāo)準(zhǔn)集成電路，可實(shí)現(xiàn)多種邏輯功能。到60年代，一種高級(jí)集成電路得到推廣：晶體管晶體管邏輯（TTL）系列。隨著超大規(guī)模集成電路的開(kāi)發(fā)，使用金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）取代晶體管，使得TTL門(mén)陣列邏輯功能僅由一塊集成電路就可實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)邏輯電路，2個(gè)基本問(wèn)題：一個(gè)是電路靜態(tài)傳輸特性，一個(gè)是動(dòng)態(tài)工作情況，前者不難，后者指獲得較短的響應(yīng)時(shí)間，通常用門(mén)電路的工作速度（指門(mén)電路對(duì)一組變化輸入信號(hào)的響應(yīng)速率）來(lái)衡量。 根據(jù)晶體管的工作狀態(tài)，可劃分為三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。截止區(qū)內(nèi)，器件的電流值為零，當(dāng)發(fā)射結(jié)反偏（或正偏電壓很小，不足以引起有效電流時(shí)），工作在截止區(qū)。放大區(qū)，基極電流對(duì)集電極電流有控制作用，此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏而集電極反偏。當(dāng)集射極電壓保持為一個(gè)很小的值，且該值大小與基極電流無(wú)關(guān)，進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均正偏。對(duì)于晶體管邏輯電路，其靜態(tài)邏輯電平分別與晶體管的截止和飽和區(qū)對(duì)應(yīng)，隨邏輯電平的轉(zhuǎn)換，在飽和態(tài)和截止態(tài)間切換（但都要經(jīng)過(guò)放大區(qū)，這樣限制了電路中邏輯電平的轉(zhuǎn)換速率）。 三種早期的晶體管邏輯電路：電阻晶體管、直接耦合晶體管、二極管晶體管。晶體管晶體管邏輯電路是對(duì)二極管晶體管電路的改進(jìn)，是TTL集成電路邏輯門(mén)的基礎(chǔ)。晶體管的電容效應(yīng)限制了它的開(kāi)關(guān)特性，為縮短開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間，必須使用外部電路快速移走晶體管內(nèi)存儲(chǔ)的電荷，TTL電路就是根據(jù)該原理制成。集成邏輯電路是由許多基本TTL電路或其改進(jìn)電路組成，既有小功率類(lèi)型，也有大功率類(lèi)型，標(biāo)準(zhǔn)集成電路通常由100或更多晶體管組成，可實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。 與/或 邏輯電路對(duì)于繼電器組成的與電路，所有接點(diǎn)串接（所有接點(diǎn)都閉合才能激勵(lì)）；對(duì)于繼電器組成的或電路，所有接點(diǎn)并接（只要有一個(gè)接點(diǎn)閉合就能激勵(lì)）。對(duì)于固態(tài)邏輯電路，高/低、閉合/打開(kāi)、1/0、高電位/低電位、HI/LO、+5V/地（0V）。與：X，Y，Z任一低（LO），Q1截止，Q2導(dǎo)通，輸出（W）為低（LO）；全為高，輸出為高，所以與邏輯?；颍篨，Y，Z任一高（HI），Q1導(dǎo)通，Q2截止，輸出（W）為高（HI）；全為低，輸出為低，所以或邏輯。15 邏輯門(mén)固體邏輯（電路中的）基本元件（Logic GatesThe Building Blocks of SolidState Logi