第4章4.1半导体基本知识

电子技术电子技术是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。分数电和模电两块，对象分别为离散信号和连续信号。发展：1883，爱迪生，热电子效应；1904，弗莱明利用此效应制成电子二极管；1906，德福雷斯，三极管（放入第三极：栅极）1948，美国贝尔实验室：晶体管；1958，集成电路：材料、元件和电路三者的统一（在半导体材料上渗入相应的物质形成）。电子管、晶体管、集成电路及大规模集成电路四代。应用领域遍及广播、通讯、测量、控制……。4.1半导体器件半导体基本知识半导体二极管半导体三极管场效应管半导体基本知识一、半导体1、定义：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。最常用的半导体为硅（Si，14）和锗（Ge，32）等。它们的共同特征是四价元素。+Si2、半导体材料的特性纯净半导体的导电能力很差；

热敏性：温度升高→导电能力增强；如：热敏电阻。

光敏性：光照增强→导电能力增强；如：光敏电阻、图像传感器

掺杂性：掺入少量杂质→导电能力增强，达百万倍。二、本征半导体1、定义：经过高度提纯的单一晶格结构的硅或锗原子构成的晶体；或者说，完全纯净、具有晶体结构的半导体。2、导电性能：（1）价电子与共价键；共价键每一原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对。构成共价键的结构。（2）自由电子与空穴：价电子受到激发（如：热和光），形成自由电子并留下空穴；硅原子共价键价电子空穴受温度的电离现象称热激发；自由电子和空穴同时产生；空穴表示该位置缺少一个电子，丢失电子的原子显正电，称为正离子；自由电子又可以回到空穴的位置上，使离子恢复中性，这个过程叫复合。半导体中的自由电子和空穴都能参与导电→半导体具有两种载流子。（3）电子电流与空穴电流前提：在外电场的作用下。空穴电流：有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子（不是自由电子），填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴；就好象空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此，空穴运动相当于正电荷的运动。空穴价电子电子电流：自由电子的定向移动。三、杂质半导体本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数目极少导电能力仍然很低。掺杂后的半导体的导电性能将大大增强。－－杂质电离根据掺杂（某种元素）不同，可分为：N和P两种类型半导体。1、N型半导体（N：negatron电子）在硅或锗晶体中掺入磷（砷等其它五价元素），称为N型半导体。特点：

多余电子SiSiSiSiSiSiP形成了大量自由电子。同时，也抑制了空穴的形成。

因此，形成以自由电子导电为主要导电方式，故又称为：电子型半导体。电子是多数载流子（多子）；空穴是少数载流子（少子）。室温情况下（27度），本征硅中：n0=p0~1.51010/cm3，当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几十万倍2、P型半导体在硅或锗晶体中渗入硼（铝等其它三价元素），称为P型半导体。特点：

SiSiSiSiSiSiB空穴形成了大量空穴；同时，也抑制了自由电子的形成。

注意：不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多数载流子。整个半导体晶体仍是电中性的。四、PN结及其单向导电性N、P型半导体虽然导电能力增加，但并不能直接用来制造半导体器件－－只是有了材料；通常是在一块晶片两边分别形成P型和N型半导体，在交界处形成PN结－－这才是构成各种半导体器件的基础。1、PN结的形成在一块晶片两边分别形成P型和N型半导体。PN自由电子空穴扩散扩散P、N区的空穴、自由电子浓度差形成多子的扩散运动。多数载流子扩散形成耗尽层－－电阻率高，但不导电；耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区－－构成内电场，P为负，N为正。空间电荷区P区N区内电场内电场阻碍了多子的继续扩散。空间电荷区P区N区漂移漂移P、N区的自由电子、空穴在内电场的作用下形成少子的漂移运动。扩散和漂移的动态平衡形成了PN结2、PN结的单向导电性加正向电压：外电源的正端接P区，负端接N区。PN内电场方向外电场方向+I变窄破坏了扩散与漂移运动的平衡。内电场变窄、变弱，扩散变强，漂移变弱。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低。电流包括空穴电流和电子电流两部分。外电源不断地向半导体提供电荷，使电流得以维持。PN内电场方向外电场方向+I变窄加反向电压：外电源的负端接P区，正端接N区。外电场与内电场方向一致，破坏了扩散与漂移运动的平衡。PN内电场方向外电场方向+I~0变宽由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高。结论：PN结具有单向导电性。加正向电压时，PN结电阻很低正向电流较大－－导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小－－截止状态。4.1半导体器件半导体基本知识半导体二极管半导体三极管场效应管一、基本结构和类型1、结构PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。从P区引出的电极称为阳极（正极）；从N区引出的电极称为阴极（负极）。2、类型按结构分：点接触型和面接触型。点接触型：一般为锗管，PN结结面积很小，不能通过较大电流，但其高频性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。面接触型：PN结结面积大；可通过较大电流（可达上千安培），其工作频率较低一般用作整流。根据其不同用途：可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。3、符号（D）PN二、伏安特性

指流过二极管的电流与两端电压的关系。特性曲线：U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020二极管的伏安特性是非线性的，大致可分为四个区：死区、正向导通区、反向截止区和反向击穿区。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020死区死区：当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。正向导通区：当外加正向电压＞死区电压时，二极管变为导通；

U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020导通区电流将急剧增加（指数关系），而二极管的电压却几乎不变，此时，二极管的电压称为正向导通压降。硅管：0.6~0.7V；锗管：0.2~0.3V。反向截止区：在二极管上加反向电压时，少数载流子的漂移运动形成很小的反向电流。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向截止区反向饱和电流：随温度的上升增长很快；在反向电压不超过某一范围，反向电流的大小基本恒定。反向击穿区：击穿发生在空间电荷区。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向击穿区击穿的原因：雪崩式电离：处于强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来，产生电子空穴对，形成连锁反应；临界电压称反向击穿电压。另一原因：强电场直接将共价键中的价电于拉出来，产生电子空穴对，形成较大的反向电流。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)4020反向击穿电压理想二极管：正向压降为0；反向电流为0。三、主要参数1、最大整流电流ICM

整流是二极管重要应用之一。指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2、最高反向电压URM保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。3、最大反向电流IRM

加最高反向工作电压时的反向电流值，受温度的影响很大。反向电流越小，二极管的单向导电性能越好；硅管的反向电流较小，一般在几个微安以下；锗管的反向电流较大为硅管的几十到几百倍。4、此外最高工作频率、结电容值、工作温度、微变电阻等。四、应用应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。可用于整流、检波、元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元件。例如：图示的电路中，已知：ui=30sinωtV，二极管的正向压降可忽略不计，试分别画出输出电压u0的波形。RDR+-uiu0u0D+-ui+-+-R+-uiu0D+-DRu0+-ui+-例2：在图中，求输出端F的电位UF=?。解：A3VB0VF-12V因为A端电位比B端电位高，所以，DA优先导通。设二极管的正向压降是0.3V，则：UF=2.7V。DA起钳位作用。DB上加的是反向电压，截止，起隔离作用。五、特殊二极管1、稳压管结构：是一种用特殊工艺制成的面接触型硅二极管；作用：稳压；工作原理：工作在反向击穿区，为电击穿；稳压的符号与稳压电路：R是限流电阻RL是负载电阻伏安特性：反向击穿特性比普通二极管的要陡些。主要参数：稳定电压UZ――稳压管在正常工作时管子两端的电压。其数值具有分散性，这也是很多半导体器件的共性，易受温度影响；须采用措施改进。此外，还有：稳定电流IZ、电压温度系数αZ、动态电阻rZ、最大允许耗散功率PZM等。2、光敏二极管利用半导体的光敏特性制成；当光线辐射于PN结时，它的反向电流随光照强度的增加而增强，又称：光电二极管。符号：可以用来做为光控元件，如：流水线计件。3、发光二极管用砷化镓、磷化镓等制成，通以电流将会发出光来－－电子和空穴复合而发出，不同的物质，不同的颜色。符号：死区电压比普通二极管高。发光二极管常用来做显示器件。4、变容二极管PN结反向偏置时结电容随反向电压变化而有较大的变化。常作为调谐电容使用－－改变其反向电压以调节LC谐振回路的振荡频率。作业：P1994.54.1半导体器件半导体基本知识半导体二极管半导体三极管场效应管半导体三极管是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中。具有放大和开关作用，由两种载流子导电，又称双极型三极管。一、基本结构平面型和合金型两种：CN型硅P型N型二氧化硅保护膜BE平面型结构N型锗铟球铟球P型P型CEB合金型结构平面型都是硅管合金型主要是锗管NNP都具有NPN或PNP的三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管。发射区集电区发射结集电结基区CBEBECPPN发射区集电区发射结集电结基区CBEBEC二、伏安特性NPN型和PNP型晶体管的工作原理类似，仅在使用时电源极性联接不同而已。以NPN型晶体管为例。1、晶体管电路三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路，因此，可分为：共发射极电路，共集电极电路和共基极电路。2、电流放大原理（共射电路）BCE共射电路改变可变电阻RB，基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化。＋－mAICmAIEIB＋－uAECEBEC＞EC实验现象：IE＝IC＋IB；BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB

当IB＝0（基极开路）时，IC＝ICEO也很小，约为1微安以下，称为穿透电流。IC或IE比IB大得多，且相对衡定，这就是电流放大作用，IB的微小变化可以引起IC的较大变化。放大原理：BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB

外部条件－－发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置。

内部载流子运动规律

－－发射区向基区扩散电子：发射结处于正向偏置，掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散。电子在基区的扩散和复合：基区厚度很小，电子在基区继续向集电结扩散，但有少部分与空穴复合而形成IBE

IB。NNP发射区集电区发射结集电结基区CBE集电区收集扩散电子：形成集电极电流（ICE

IC）放大作用的内部条件：基区很薄且掺杂浓度很低。3、伏安特性反映了三极管的性能，是分析三极管电路的重要依据。（1）输入特性：是UCE＝常数时，IB和UBE之间的关系。BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB与二极管正向特性一致。BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V

UCE＝0时，两个PN结并联；

UCE＞0时，曲线右移；00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V

UCE1V时，集电结已处于反向偏置，发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成IC；

UCE增大，IB不会明显减小，所以，这种情况下的的输入曲线基本重合，常只画一条。

硅NPN管UBE=0.6~0.7V；锗PNP管UBE=–0.2~–0.3V。（2）输出特性：当IB为常数时，IC和UCE之间的关系曲线。BCE＋－mAICmAIEIB＋－uAECEB不同的IB可以得到不同的IC和UCE间曲线。

UCE超过约1V再继续增加时，IC的增加将不再明显。这是晶体管的恒流特性。当IB增加时，自由电子数增加，相应的IC也增加，曲线上移。通常分三个区特性曲线进于水平的区域。在放大区，也称线性区。IB和IC有相对固定的关系，即电流放大系数：放大区：（模拟）静态和动态电流放大系数意义不同，但多数情况下近似相等。说明：输出特性曲线是非线性的，只有在曲线的等距平直部分才有较好的线性关系，IC与IB成正比，β也可认为是基本恒定的。制造工艺的原因，晶体管的参数具有一定的离散性。

IB＝0曲线以下区域，IC＝

ICEO；截止区：对于硅管当UBE<0.5V时即开始截止。为了可靠截止常使UBE

0。截止时两个PN结都反向偏置。当UCE<UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。饱和区：在饱和区，IB的变化对IC影响较小，失去放大作用。发射结、集电结均处于正偏。各态偏置情况：要求能对晶体管的三种状态进行判断。