基本半导体分立器件综述

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1、第1章 基本半导体分立器件,1.1 半导体的基本知识与PN结 1.2 半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导体三极管 1.5 场效应晶体管 习题,1.1 半导体的基本知识与PN结,1.1.1 半导体的基本特性 在自然界中存在着许多不同的物质， 根据其导电性能的不同大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。 通常将很容易导电、 电阻率小于10-4cm的物质， 称为导体， 例如铜、 铝、 银等金属材料； 将很难导电、 电阻率大于1010cm的物质， 称为绝缘体， 例如塑料、 橡胶、 陶瓷等材料； 将导电能力介于导体和绝缘体之间、 电阻率在10-3109cm范围内的物质， 称为半导体。 常用的

2、半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。,1. 热敏性 所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。 半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。 例如纯净的锗从20 升高到30 时， 它的电阻率几乎减小为原来的1/2。,2. 光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。 一种硫化镉薄膜， 在暗处其电阻为几十兆欧姆， 受光照后， 电阻可以下降到几十千欧姆， 只有原来的1%。 自动控制中用的光电二极管和光敏电阻， 就是利用光敏特性制成的。 而金属导体在阳光下或在暗处， 其电阻率一般没有什么变化。,3. 杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。 在

3、半导体硅中， 只要掺入亿分之一的硼， 电阻率就会下降到原来的几万分之一。 所以， 利用这一特性， 可以制造出不同性能、 不同用途的半导体器件， 而金属导体即使掺入千分之一的杂质， 对其电阻率也几乎没有什么影响。 半导体之所以具有上述特性， 根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。,1.1.2 本征半导体 在近代电子学中， 最常用的半导体材料就是硅和锗， 下面以它们为例， 介绍半导体的一些基本知识。 一切物质都是由原子构成的， 而每个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成。 由于内层电子受原子核的束缚较大， 很难活动， 因此物质的特性主要由受原子核的束缚力较小的最外层电子， 也就是价电子来决定

4、。 硅原子和锗原子的电子数分别为32和14， 所以它们最外层的电子都是四个， 是四价元素。 其原子结构可以表示成如图1-1所示的简化模型。,图1-1 硅和锗的原子结构简化模型,在实际应用中， 必须将半导体提炼成单晶体使它的原子排列由杂乱无章的状态变成有一定规律、 整齐地排列的晶体结构， 如图1-2所示， 称为单晶。 硅和锗等半导体都是晶体， 所以半导体管又称晶体管。 通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。,图1-2 本征硅（或锗）的晶体结构 （a） 结构图； （b） 平面示意图与共价键,从图1-2（b）的平面示意图可以看出， 硅和锗原子组成单晶的组合方式是共价键结构。 每个价电子都要

5、受到相邻的两个原子核的束缚， 每个原子的最外层就有了八个价电子而形成了较稳定的共价键结构。 所以， 半导体的价电子既不像导体的价电子那样容易挣脱成为自由电子， 也不像在绝缘体中被束缚的那样紧。 由于导电能力的强弱， 在微观上看就是单位体积中能自由移动的带电粒子数目的多少， 因此， 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。,1 本征激发与复合 在绝对零度（273 ）时， 半导体中的价电子不能脱离共价键的束缚， 所以在半导体中没有自由电子， 半导体呈现不能导电的绝缘体特性。,当温度逐渐升高或在一定强度的光照下， 本征硅或锗中的一些价电子从热运动中获得了足够的能量， 挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷

6、的自由电子。 同时， 在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空位， 称之为空穴， 也叫空位。 这种现象， 叫做本征激发。 在本征激发中， 带一个单位负电荷的自由电子和带一个单位正电荷的空穴总是成对出现的， 所以称之为自由电子空穴对， 如图1-3所示。,图1-3 本征激发产生自由电子空穴对,自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失， 叫做复合。 本征激发和复合总是同时存在、 同时进行的， 这是半导体内部进行的一对矛盾运动。 在温度一定的情况下， 本征激发和复合达到动态平衡， 单位时间本征激发出的自由电子空穴对数目正好等于复合消失的数目， 这样在整块半导体内， 自由电子和空

7、穴的数目保持一定。 一般在室温时， 纯硅中的自由电子浓度n和空穴浓度p为 ni=n=p1.51010(个/cm3) （1-1）,对于纯锗来说， 这个数据约为2.51013个/cm3， 而金属导体中的自由电子浓度约为1022个/cm3。 从数字上可以看出， 本征半导体的导电能力是很差的。 温度越高， 本征激发越激烈， 产生的自由电子空穴对越多， 当半导体重新达到动态平衡时的自由电子或空穴的浓度就越高， 导电能力就越强。 这实际上就是半导体材料具有热敏性和光敏性的本质原因。,2 自由电子运动与空穴运动 经过分析， 我们知道在本征半导体中， 每本征激发出一个自由电子， 就会留下一个空穴， 这时本来不

8、带电的原子， 就相当于带正电的正离子， 或者说留下的这个空穴相当于带一个单位的正电荷。 在热能或外加电场的作用下， 邻近原子带负电的价电子很容易跳过来填补这个空位， 这相当于此处的空穴消失了， 但却转移到相邻的那个原子处去了， 如图1-4所示， 价电子由B到A的运动， 就相当于空穴从A移动到B。,图1-4 空穴运动,图1-5 本征半导体中载流子的导电方式,因此， 半导体中有两种载流子： 一种是带负电荷的自由电子， 一种是带正电荷的空穴。 它们在外加电场的作用下都会出现定向移动。 微观上载流子的定向运动， 在宏观上就形成了电流。 自由电子逆电场方向移动形成电子电流IN， 空穴顺电场方向移动形成空

9、穴电流IP， 如图1-5所示。 所以半导体在外加电场作用下， 电路中总的电流I是空穴电流IP和电子电流IN的和， 即 I=IN+IP （1-2）,1.1.3 杂质半导体 由于半导体具有杂敏性， 因此利用掺杂可以制造出不同导电能力、 不同用途的半导体器件。 根据掺入杂质的不同， 又可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴型）半导体。 1 N型半导体 在四价的本征硅（或锗）中， 掺入微量的五价元素磷（P）之后， 磷原子由于数量较少， 不能改变本征硅的共价键结构， 而是和本征硅一起组成共价键， 如图1-6所示。,图1-6 N型半导体,在N型半导体中， 由于掺杂带来的自由电子浓度远远高于本征载流子浓度，

10、 因此多子浓度约等于掺杂的杂质浓度， 远远高于少子空穴的浓度。 所以当外加电场时， 流过N型半导体的电流应为 I=IN+IPIN （1-3）,2 P型半导体 在四价的本征硅（或锗）中掺入微量的三价元素硼（B）之后， 参照上述分析， 硼原子也和周围相邻的硅原子组成共价键结构， 如图1-7所示。,图1-7 P型半导体,三价硼原子的最外层只有三个价电子， 和相邻的三个硅原子组成共价键后， 尚缺一个价电子不能组成共价键， 因此出现了一个空位， 即空穴。 这样邻近原子的价电子就可以跳过来填补这个空位。 所以硼原子掺入后一方面提供了一个带正电荷的空穴， 一方面自己成为了带负电的离子， 即掺入一个硼原子就相

11、当于掺入了一个能接受电子的空穴， 所以称三价元素硼为受主杂质， 此时杂质半导体中的空穴浓度约等于掺杂浓度， 远远大于自由电子浓度， 称空穴为多子、 自由电子为少子。 这种杂质半导体叫做P型（空穴型）半导体。,同样， 这种P型半导体在外加电场的作用下， 总的电路电流应为 I=IN+IPIP （1-4） 整块半导体宏观上仍为电中性。,1.1.4 PN结的形成与单向导电性 几乎所有的半导体器件都是由不同数量和结构的PN结构成的， 因此， 我们先来了解PN结的结构与特点。 1 PN结的形成 在一块本征半导体上通过某种掺杂工艺， 使其形成N型区和P型区两部分后， 在它们的交界处就形成了一个特殊薄层， 这

12、就是PN结。,1） 多子的扩散运动建立内电场 如图1-8（a）所示， 和 分别代表P区和N区的受主和施主离子（为了简便起见， 硅原子未画出）， 由于 P区的多子是空穴， N区的多子是自由电子， 因此在P区和N区的交界处自由电子和空穴都要从高浓度处向低浓度处扩散。 这种载流子在浓度差作用下的定向运动， 叫做扩散运动。,多子扩散到对方区域后， 使对方区域的多子因复合而耗尽， 所以P区和N区的交界处就仅剩下了不能移动的带电施主和受主离子， N区形成正离子区， P区形成负离子区， 形成了一个电场方向从N区指向P区的空间电荷区， 这个电场称为内建电场， 简称内电场， 如图1-8（b）所示。 在这个区域内

13、， 多子已扩散到对方因复合而消耗殆尽， 所以又称耗尽层。 在耗尽层以外的区域仍呈电中性。,图1-8 PN结的形成 （a） 多子的扩散运动; （b） PN结中的内电场与少子漂移,2） 内电场阻碍多子扩散、 帮助少子漂移运动， 形成平衡PN结由于内电场的方向是从N区指向P区， 因此这个内电场的方向对多子产生的电场力正好与其扩散方向相反， 对多子的扩散起了一个阻碍的作用， 使多子扩散运动逐渐减弱。 内电场对P区和N区的少子同样产生了电场力的作用。 由于P区的少子是自由电子， N区的少子是空穴， 因此内电场对少子的运动起到了加速的作用。 这种少数载流子在电场力作用下的定向移动， 称为漂移运动， 如图1

14、-8（b）所示。,2 PN结的单向导电特性 未加外部电压时， PN结内无宏观电流， 只有外加电压时， PN结才显示出单向导电性。 1） 外加正偏电压时PN结导通 将PN结的P区接较高电位（比如电源的正极）， N区接较低电位（比如电源的负极）， 称为给PN结加正向偏置电压， 简称正偏， 如图1-9所示。,PN结正偏时， 外加电场使PN结的平衡状态被打破， 由于外电场与PN结的内电场方向相反， 内电场被削弱， 扩散增强， 漂移几乎减弱为0， 因此， PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF。 因为多子数量较多， 所以IF较大。 为了防止较大的IF将PN结烧坏， 应串接限流电阻R。 扩散电流随外加

15、电压的增加而增加， 当外加电压增加到一定值后， 扩散电流随正偏电压的增大而呈指数上升。 由于PN结对正向偏置呈现较小的电阻（理想状态下可以看成是短路情况）， 因此称之为正偏导通状态。,图1-9 PN结外加正偏电压,图1-10 PN结外加反偏电压,2） 外加反偏电压时PN结截止 将PN结的P区接较低电位（比如电源的负极）， N区接较高电位（比如电源的正极）， 称为给PN结加反向偏置电压， 简称反偏， 如图1-10所示。 PN结反偏时， 外加电场方向与内电场方向相同， 内电场增强， 使多子扩散减弱到几乎为零。 而漂移运动在内电场的作用下， 有所增强， 在PN结电路中形成了少子漂移电流。 漂移电流和

16、正向电流的方向相反， 称为反向电流IR。,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构与类型 导体二极管按其结构的不同， 可分为点接触型、 面接触型和平面型三种。 常见二极管的结构、 外形和电路符号如图1-11所示。 二极管的两极分别叫做正极或阳极（P区）， 负极或阴极（N区）。,图1-11 半导体二极管的结构、 外形与电路符号 （a） 点接触型; （b） 面接触型; （c） 平面型; （d） 电路符号; （e） 常见二极管的外形,1.2.2 二极管的伏安特性曲线与近似模型 1伏安特性曲线 二极管的伏安特性也就是PN结的伏安特性。 把二极管的电流随外加偏置电压的变化规律， 称为二极管的伏安特性， 以曲线的形式描绘出来， 就是伏安特性曲线。 二极管的伏安特性曲线如图1-12所示， 下面分三部分对二极管的伏安特性曲线进行分析。,图1-12 二极管的伏安特性,1） 正向特性外加正偏电压UF 当UF0时