【正文】 0所示 。 擴(kuò)散電流隨外加電壓的增加而增加 ， 當(dāng)外加電壓增加到一定值后 ， 擴(kuò)散電流隨正偏電壓的增大而呈指數(shù)上升 。 因為多子數(shù)量較多 ， 所以 IF較大 。 1） 外加正偏電壓時 PN結(jié)導(dǎo)通 將 PN結(jié)的 P區(qū)接較高電位 （ 比如電源的正極 ） ， N區(qū)接較低電位 （ 比如電源的負(fù)極 ） ， 稱為給 PN結(jié)加正向偏置電壓 ， 簡稱正偏 ， 如圖 19所示 。 這種少數(shù)載流子在電場力作用下的定向移動 ， 稱為漂移運(yùn)動 ， 如圖 18（ b） 所示 。 內(nèi)電場對 P區(qū)和 N區(qū)的少子同樣產(chǎn)生了電場力的作用 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 18 PN結(jié)的形成 （ a） 多子的擴(kuò)散運(yùn)動 。 在這個區(qū)域內(nèi) ， 多子已擴(kuò)散到對方因復(fù)合而消耗殆盡 ， 所以又稱耗盡層 。 這種載流子在濃度差作用下的定向運(yùn)動 ， 叫做擴(kuò)散運(yùn)動 。 1． PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體上通過某種摻雜工藝 ， 使其形成N型區(qū)和 P型區(qū)兩部分后 ， 在它們的交界處就形成了一個特殊薄層 ， 這就是 PN結(jié) 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 同樣 ， 這種 P型半導(dǎo)體在外加電場的作用下 ， 總的電路電流應(yīng)為 I=IN+IP≈IP （ 14） 整塊半導(dǎo)體宏觀上仍為電中性 。 所以硼原子摻入后一方面提供了一個帶正電荷的空穴， 一方面自己成為了帶負(fù)電的離子， 即摻入一個硼原子就相當(dāng)于摻入了一個能接受電子的空穴， 所以稱三價元素硼為受主雜質(zhì)， 此時雜質(zhì)半導(dǎo)體中的空穴濃度約等于摻雜濃度， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子濃度， 稱空穴為多子、 自由電子為少子。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 17 P型半導(dǎo)體 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 三價硼原子的最外層只有三個價電子， 和相鄰的三個硅原子組成共價鍵后， 尚缺一個價電子不能組成共價鍵， 因此出現(xiàn)了一個空位， 即空穴。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 16 N型半導(dǎo)體 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 在 N型半導(dǎo)體中 ， 由于摻雜帶來的自由電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征載流子濃度 ， 因此多子濃度約等于摻雜的雜質(zhì)濃度 ， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于少子空穴的濃度 。 根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同 ， 又可分為 N型 （ 電子型 ） 半導(dǎo)體和 P型（ 空穴型 ） 半導(dǎo)體 。 自由電子逆電場方向移動形成電子電流 IN， 空穴順電場方向移動形成空穴電流 IP， 如圖 15所示。 它們在外加電場的作用下都會出現(xiàn)定向移動。 在熱能或外加電場的作用下 ， 鄰近原子帶負(fù)電的價電子很容易跳過來填補(bǔ)這個空位 ， 這相當(dāng)于此處的空穴消失了 ， 但卻轉(zhuǎn)移到相鄰的那個原子處去了 ， 如圖 14所示 ， 價電子由 B到 A的運(yùn)動 ， 就相當(dāng)于空穴從 A移動到 B。 這實際上就是半導(dǎo)體材料具有熱敏性和光敏性的本質(zhì)原因 。 從數(shù)字上可以看出 ， 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很差的 。 在溫度一定的情況下 ， 本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡 ， 單位時間本征激發(fā)出的自由電子 —空穴對數(shù)目正好等于復(fù)合消失的數(shù)目 ， 這樣在整塊半導(dǎo)體內(nèi) ， 自由電子和空穴的數(shù)目保持一定 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 13 本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子 — 空穴對 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 自由電子和空穴在熱運(yùn)動中又可能重新相遇結(jié)合而消失 ， 叫做復(fù)合 。 這種現(xiàn)象 ， 叫做本征激發(fā) 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 當(dāng)溫度逐漸升高或在一定強(qiáng)度的光照下 ， 本征硅或鍺中的一些價電子從熱運(yùn)動中獲得了足夠的能量 ， 掙脫共價鍵的束縛而成為帶單位負(fù)電荷的自由電子 。 由于導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱， 在微觀上看就是單位體積中能自由移動的帶電粒子數(shù)目的多少， 因此， 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 每個價電子都要受到相鄰的兩個原子核的束縛， 每個原子的最外層就有了八個價電子而形成了較穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)。 通常把純凈的不含任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 11 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 在實際應(yīng)用中 ， 必須將半導(dǎo)體提煉成單晶體 ——使它的原子排列由雜亂無章的狀態(tài)變成有一定規(guī)律 、 整齊地排列的晶體結(jié)構(gòu) ， 如圖 12所示 ， 稱為單晶 。 硅原子和鍺原子的電子數(shù)分別為 32和 14， 所以它們最外層的電子都是四個 ， 是四價元素 。 一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的 ， 而每個原子都由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成 。 半導(dǎo)體之所以具有上述特性， 根本原因在于其特殊的原子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理。 在半導(dǎo)體硅中 ， 只要摻入億分之一的硼 ， 電阻率就會下降到原來的幾萬分之一 。 而金屬導(dǎo)體在陽光下或在暗處 ， 其電阻率一般沒有什么變化 。 一種硫化鎘薄膜 ， 在暗處其電阻為幾十兆歐姆 ， 受光照后 ， 電阻可以下降到幾十千歐姆 ， 只有原來的 1%。 例如純凈的鍺從 20 ℃ 升高到 30 ℃ 時 ， 它的電阻率幾乎減小為原來的 1/2。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 1. 熱敏性 所謂熱敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加 。cm范圍內(nèi)的物質(zhì) ， 稱為半導(dǎo)體 。cm的物質(zhì) ， 稱為導(dǎo)體 ， 例如銅 、 鋁 、 銀等金屬材料； 將很難導(dǎo)電 、 電阻率大于 1010Ω第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 半導(dǎo)體的基本知識與 PN結(jié) 半導(dǎo)體二極管 特殊二極管 半導(dǎo)體三極管 場效應(yīng)晶體管 習(xí)題 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 半導(dǎo)體的基本知識與 PN結(jié) 半導(dǎo)體的基本特性 在自然界中存在著許多不同的物質(zhì) ， 根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為導(dǎo)體 、 絕緣體和半導(dǎo)體三大類 。 通常將很容易導(dǎo)電 、 電阻率小于 104Ωcm的物質(zhì) ， 稱為絕緣體 ， 例如塑料 、 橡膠 、 陶瓷等材料； 將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 、 電阻率在 103～ 109Ω 常用的半導(dǎo)體材料是硅 （ Si） 和鍺 （ Ge） 。 半導(dǎo)體的電阻率對溫度的變化十分敏感 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 2. 光敏性 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性叫做光敏性 。 自動控制中用的光電二極管和光敏電阻 ， 就是利用光敏特性制成的 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 3. 雜敏性 所謂雜敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化 。 所以 ， 利用這一特性 ， 可以制造出不同性能 、 不同用途的半導(dǎo)體器件 ， 而金屬導(dǎo)體即使摻入千分之一的雜質(zhì) ， 對其電阻率也幾乎沒有什么影響 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 本征半導(dǎo)體 在近代電子學(xué)中 ， 最常用的半導(dǎo)體材料就是硅和鍺 ， 下面以它們?yōu)槔?， 介紹半導(dǎo)體的一些基本知識 。 由于內(nèi)層電子受原子核的束縛較大 ， 很難活動 ， 因此物質(zhì)的特性主要由受原子核的束縛力較小的最外層電子 ， 也就是價電子來決定 。 其原子結(jié)構(gòu)可以表示成如圖 11所示的簡化模型 。 硅和鍺等半導(dǎo)體都是晶體 ， 所以半導(dǎo)體管又稱晶體管 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 12 本征硅 （ 或鍺 ） 的晶體結(jié)構(gòu) （ a） 結(jié)構(gòu)圖； （ b） 平面示意圖與共價鍵 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 從圖 12（ b）的平面示意圖可以看出， 硅和鍺原子組成單晶的組合方式是共價鍵結(jié)構(gòu)。 所以， 半導(dǎo)體的價電子既不像導(dǎo)體的價電子那樣容易掙脫成為自由電子， 也不像在絕緣體中被束縛的那樣緊。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 1． 本征激發(fā)與復(fù)合 在絕對零度 （ － 273 ℃ ） 時 ， 半導(dǎo)體中的價電子不能脫離共價鍵的束縛 ， 所以在半導(dǎo)體中沒有自由電子 ， 半導(dǎo)體呈現(xiàn)不能導(dǎo)電的絕緣體特性 。 同時 ， 在原來的共價鍵位置上留下一個相當(dāng)于帶有單位正電荷電量的空位 ， 稱之為空穴 ， 也叫空位 。 在本征激發(fā)中 ， 帶一個單位負(fù)電荷的自由電子和帶一個單位正電荷的空穴總是成對出現(xiàn)的 ， 所以稱之為自由電子 — 空穴對 ， 如圖 13所示 。 本征激發(fā)和復(fù)合總是同時存在 、 同時進(jìn)行的 ， 這是半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行的一對矛盾運(yùn)動 。 一般在室溫時 ， 純硅中的自由電子濃度 n和空穴濃度 p為 ni=n=p≈ 1010(個 /cm3) （ 11） 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 對于純鍺來說 ， 這個數(shù)據(jù)約為 1013個 /cm3， 而金屬導(dǎo)體中的自由電子濃度約為 1022個 /cm3。 溫度越高 ， 本征激發(fā)越激烈 ， 產(chǎn)生的自由電子 —空穴對越多 ， 當(dāng)半導(dǎo)體重新達(dá)到動態(tài)平衡時的自由電子或空穴的濃度就越高 ， 導(dǎo)電能力就越強(qiáng) 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 2． 自由電子運(yùn)動與空穴運(yùn)動 經(jīng)過分析 ， 我們知道在本征半導(dǎo)體中 ， 每本征激發(fā)出一個自由電子 ， 就會留下一個空穴 ， 這時本來不帶電的原子 ， 就相當(dāng)于帶正電的正離子 ， 或者說留下的這個空穴相當(dāng)于帶一個單位的正電荷 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 14 空穴運(yùn)動 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 圖 15 本征半導(dǎo)體中載流子的導(dǎo)電方式 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 因此， 半導(dǎo)體中有兩種載流子： 一種是帶負(fù)電荷的自由電子， 一種是帶正電荷的空穴。 微觀上載流子的定向運(yùn)動， 在宏觀上就形成了電流。 所以半導(dǎo)體在外加電場作用下， 電路中總的電流 I是空穴電流 IP和電子電流 IN的和， 即 I=IN+IP （ 12） 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 雜質(zhì)半導(dǎo)體 由于半導(dǎo)體具有雜敏性 ， 因此利用摻雜可以制造出不同導(dǎo)電能力 、 不同用途的半導(dǎo)體器件 。 1． N型半導(dǎo)體 在四價的本征硅 （ 或鍺 ） 中 ， 摻入微量的五價元素磷 （ P） 之后 ， 磷原子由于數(shù)量較少 ， 不能改變本征硅的共價鍵結(jié)構(gòu) ， 而是和本征硅一起組成共價鍵 ， 如圖 16所示 。 所以當(dāng)外加電場時 ， 流過 N型半導(dǎo)體的電流應(yīng)為 I=IN+IP≈IN （ 13） 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 2． P型半導(dǎo)體 在四價的本征硅 （ 或鍺 ） 中摻入微量的三價元素硼 （ B） 之后 ， 參照上述分析 ， 硼原子也和周圍相鄰的硅原子組成共價鍵結(jié)構(gòu) ， 如圖 17所示 。 這樣鄰近原子的價電子就可以跳過來填補(bǔ)這個空位。 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體叫做 P型（空穴型）半導(dǎo)體。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 PN結(jié)的形成與單向?qū)щ娦? 幾乎所有的半導(dǎo)體器件都是由不同數(shù)量和結(jié)構(gòu)的 PN結(jié)構(gòu)成的 ， 因此 ， 我們先來了解 PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 。 第 1章 基本半導(dǎo)體分立器件 1） 多子的擴(kuò)散運(yùn)動建立內(nèi)電場 如圖 18（ a） 所示 ， 分別代表 P區(qū)和 N區(qū)的受主和施主離子 （ 為了簡便起見 ， 硅原子未畫出 ） ， 由于 P區(qū)的多子是空穴 ， N區(qū)的多子是自由電子 ， 因此在 P區(qū)和 N區(qū)的交界處自由電子和空穴都要從高濃度處向低濃度處擴(kuò)散 。