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1、电工学电工学()()：电子技术：电子技术第 1 章常用半导体器件半导体器件是用半导体材料制成的电子器件，最常用的有二极管、三极管、场效应管、晶闸管、单结晶体管等。随着电子技术的飞速发展，各种新型半导体器件层出不穷，几乎所有电子设备都离不开半导体器件。因此，全面了解各种半导体器件的结构特点、工作原理、技术参数和性能及其适用范围，是学好电子技术的关键所在。1.1 半导体基础知识自然界中的物质可以按导电能力的强弱分为导体、绝缘体和半导体。导电能力强的物质称为导体，不导电的物质称为绝缘体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体（如硅、锗、硒等） 。半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有热敏感性
2、、光敏感性、掺杂敏感性等特殊性能。 1.1.1 本征半导体图 11 本征半导体结构模型经过高度提纯(99.9999999%，简称 9 个 9)、晶体结构完整有序的半导体称为本征半导体。目前用来制造半导体器件的材料主要是单晶硅（Si） 、单晶锗（Ge）和砷化镓(GaAs)等。硅和锗都是 4 价元素，其原子序数分别为 14 和 32。它们的原子结构如图 11(a)所示，最外层轨道上都有 4 个电子，称为价电子。在本征半导体(硅或锗)的单晶体结构中，原子在空间有规律地整齐排列，组成一定形式的晶格点阵。由于晶体中相邻原子间的距离很近，相互影响大，价电子受到所属原子核及相邻原子核的共同约束，使 1 个价
3、电子为相邻 2 个原子所共有，形成了晶体中的共价键结构，如图 11(b)所示。这样，晶体中每个原子的 4 个价电子都与相邻 4 个原子的价电子分别组成 4 对共价键，相当于每个原子核最外层有 8 个等效价电子，这是稳定的原子结构。共价键内的 2 个电子叫做束缚电子。在热力学温标零度(T=0K)或无外界能量激发时，由于共价键的束缚力很强，价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体的载流子数目有限，其导电能力很差。这时即使有(不太强的)外电场作用，也不会产生电流，呈现绝缘性。当温度上升时，一些价电子因原子的热运动而获得足够的能量，使之可以脱离共价键的束缚成为自由电子，这种现象叫做本征
4、激发。自由电子是本身带有负电荷的粒子，在外电场作用下可以定向运动形成电流。当价电子脱离共价键后，共价键中就留下了1 个空位，称为空穴。由于原子外层轨道的能级相同，空穴很容易被任一相邻共价键中的价电子所填充，所以空穴可以在共价键中“自由移动” 。注意，空穴所在原子缺少 1 个电子，相当于带有 1 个正电荷，空穴的移动可视为正电荷的移动，因而可以把空穴看成是带 1 外电场作用下也可以定向运动而形成电流。带有电荷的自由电子和空穴都称为载流子，它们的定向运动是半导体导电的内部机制，即半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和。在本征半导体内，自由电子和空穴总是相伴出现的，所以本征半导体中自由电子和空穴数目
5、是相等的。半导体内部除了本征激发产生电子空穴对以外，电子和空穴在无规则的游离状态下，也会相遇而互相填补，使自由电子和空穴一同消失，这一过程称为载流子的复合。电子空穴对同时产生、同时消失。在一定温度下，它们的产生、复合在持续不断地进行，使载流子数目在变化中处于一种动态平衡，半导体中的载流子浓度将保持一定的数值。温度升高时本征激发使电子空穴对数目相对增多。理论分析表明，载流子浓度会随温度的升高按指数规律增大，在电场一定的情况下，本征半导体内载流子数目越多，电流就越大。所以，温度是影响半导体性能的一个很重要的因素。另外，光照、辐射等外界条件的加强都会使半导体导电能力增大。1.1.2 杂质半导体如上所
6、述，影响半导体性能的另外一个因素是在本征半导体中掺入微量杂质，形成杂质半导体。因掺入的杂质不同，可将杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体两类。1. N 型半导体在本征半导体(如硅)中掺入微量的五价元素，如磷(或砷、锑等)，这些微量的杂质原子掺入后基本上不会改变本征半导体的晶体结构，只是在某些位置取代了硅原子。在磷原子的五个价电子中，有四个与其相邻的硅原子组成共价键，多余的 1 个价电子不受共价键的束缚，受原子核的引力也较小，在室温下极容易脱离磷原子的吸引成为自由电子，而磷原子成为不能移动的带正电荷的离子。除了磷原子提供的自由电子外，原晶体中也有由于本征激发产生的自由电子和空穴。每个磷原
7、子都能提供 1 个自由电子，却不能同时产生空穴，所以这些额外的自由电子使半导体中的自由电子数目大大增加，而空穴数目则远远小于自由电子数目。因此，在这种掺杂半导体中，电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少子)，这种杂质半导体主要以电子的定向运动形成电流，故称为 N 型(电子型)半导体。2. P 型半导体在本征硅(或锗)内掺入微量的三价元素，如硼(或铝、铟等)，晶体中的某些位置被硼原子所替代。由于硼原子最外层只有 3 个价电子，它们与相邻的四个硅原子组成共价键结构时，其中 1 个共价键中必然留有 1 个空位。其他相邻硅原子中的价电子在室温下或其他能量下，很容易填补这个空位，使硼原子
8、成为带负电的不能移动的离子。硅原子中的价电子移走后，原来的位置就产生 1 个空穴。在常温下每个硼原子都能提供 1 个空穴，但不能同时产生 1 个电子。除此之外，晶体中也存在由于本征激发而产生的电子空穴对，其数目远远少于硼原子提供的额外的空穴数目。因此，在这种杂质半导体内的两种载流子中，电子只占很少的一部分，绝大多数载流子都是空穴，所以空穴是多数载流子，电子是少数载流子。显然，参与导电的载流子以空穴为主，故将这种杂质半导体叫做 P 型(空穴型)半导体。综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。无论是 N 型半导体还是 P 型半导体，其
9、中的正电荷量与负电荷量都是相等的。如在 N 型半导体内，磷原子失去电子后形成的正离子数与本征激发产生的空穴数之和，等于磷原子提供的自由电子数与本征激发的自由电子数之和，所以自由电子是多数载流子并不表明 N 型半导体带负电，它对外部呈现电中性； 类似地，P 型半导体对外部也呈现电中性。1.1.3PN 结在本征半导体中掺入杂质后，载流子数目剧增，相应导电能力也大大加强。1. 半导体内部载流子的运动半导体没有外加电场时，内部的载流子处于杂乱无序的运动状态，它们自由地向各处移动。有外加电场后，载流子在电场作用下将有序地定向运动。在呈电中性的半导体中，如果一种载流子的分布不均匀，即浓度有差别时，载流子会
10、从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，载流子作微观上无序但宏观上有序的运动，从而形成电流。这种由于载流子扩散运动形成的电流叫做扩散电流。2. PN 结的形成在一块完整的硅片上，用一定的工艺使其一边形成 P 型半导体，另一边形成 N 型半导体，在这两种不同半导体的交界面附近会形成一个特殊的区域PN 结。N 型半导体中电子是多数载流子，P 型半导体中空穴是多数载流子，它们结合在一起时，存在明显的浓度差。N 区的电子必然向 P 区扩散，P 区的空穴也必然向 N区扩散。当载流子通过两种半导体的交界面后，N 区的电子与 P 区的空穴复合，P 区的空穴与N 区的电子复合，如图 12所示。在交界面附近，N 区出
11、现了带正电的杂质离子区域，这些杂质离子不能移动，不能参与导电，结果使这一区域带有正电荷； P 区同样出现不能移动的负离子，相应的这一区域带有负电荷。这些正负离子所在区域形成一个空间电荷区，即 PN 结。在空间电荷区内，P 区空穴和 N 区的电子在扩散过的数目很少，即载流子的浓度从很高迅速下降至很低，所以 PN 结又称为耗尽层。交界面两侧空间电荷的存在，使得这个区域产生了由 N 区指向 P 区的内电场。载流子浓度越大，空间电荷区越宽，内电场越强。注意到内电场的方向与多子扩散运动的方向相反，所以它阻碍了两区域多子的扩散，图 12PN 结的形成因此，又将 PN 结称为阻挡层。内电场虽然阻碍各方载流子
12、向对方扩散，但却促使双方的少数载流子向对方漂移(P 区的电子向 N 区漂移，使空间电荷区内的正离子数减少； N区的空穴向 P 区漂移，使负离子数也减少)，其结果是空间电荷区有变窄的趋势。另一方面，空间电荷区变窄后，内电场对多子扩散的阻碍作用减弱，又使得多数载流子继续向对方扩散，PN 结又有加宽的趋势。最终当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN 结的宽度和内电场的场强都稳定下来。PN 结的宽度一般为数微米。内电场的电压与半导体材料、掺杂浓度及环境温度有关。在室温下，硅材料 PN 结的电压约为 0.60.7V，锗材料 PN 结的电压约为 0.10.3V。3. PN 结的特性讨论 PN 结的性质时
13、，不仅要了解其内部的情况，更重要的是通过它掌握 PN 结外加电压后所呈现的特性，而 PN 结的基本特性就是单向导电性。另外，还存在着电容效应，这在外加高频电压时就会呈现出来。(1) 单向导电性在 PN 结上施加正向电压(P 区接电源正极，N 区接电源负极)，也叫正向偏置，如图 13(a)所示。外加的正向电场与内电场叠加，共同作用于空间电荷区，破坏了原有的平衡状态，使内电场的作用减弱，P 区和 N 区的多子在外电场作用下被推向 PN 结，将一部分杂质离子中和，使空间电荷量减少，阻挡层变窄，有利于多子的扩散但不利于少子的漂移。所以，在外加正向电压时，P 区的空穴和 N 区的电子源源不断地向对方扩散
14、，形成较大的扩散电流。此时，PN结的内电场并未消失，所以两侧的少子依然存在漂移运动，形成的漂移电流与扩散电流的方向相反，但因其数值很少，无法与扩散电流相抗衡，可忽略不计。在 PN 结上施加反向电压(P 区接电源负极，N 区接电源正极)，也叫反向偏置。此时，外电场与内电场的方向一致，共同作用使局部场强增大，阻挡层加宽，结果阻止了多子的扩散，促进了少子的漂移，因而形成了 PN 结的反向电流，如图13(b)所示。在半导体内少子的浓度很低，能够参与漂移的少子数量有限，所以即使外加的反向电压较大，通过 PN 结的电流也很小，并且在外加电压增大时，电流保持基本不变，所以把该电流称为反向饱和电流 IS。从上
15、面的讨论可知，PN 结加正向电压时，有较大的正向电流通过，称为正向导通； 而图 13PN 结的单向导电性示意图PN 结加反向电压时，反向电流很小，称为反向截止。即 PN 结只允许一个方向的电流顺利通过，这就是 PN 结的单向导电性。由理论分析得知，PN 结两端的电压 U 和流过 PN 结的电流 I 之间可以用下式来表示： I=IS(eU/UT-1)(11)式中，U 为 PN 结外加电压，参考方向由 P 区指向 N 区； I 为流经PN 结的电流，与 U 关联方向； IS 为 PN 结反向饱和电流； UT=kT/q称为温度电压当量，其中 k 为波耳兹曼常数，T 是热力学温标，q 为电子的电量，在
16、室温下(T=300K)，UT26mV。对式(11)进行简单的分析就可得出 PN 结正向特性和反向特性的大致情况。PN结在正向偏置时，只要 U 大于 UT 几倍以上(如 U=5UT)，式(11)就可简化为I=ISeU/UT(12)即电压 U 大于 UT 一定的数值后，电流 I 与电压 U 之间按指数规律变化。PN 结反向偏置时，只要U大于 UT 几倍，式(11)可化简为I-IS(13)这时，PN 结的反向电流就是反向饱和电流，而且与反向电压无关。根据式(11)可以画出 PN 结的伏安特性曲线，如图 13(c)所示。当 PN 结的反向电压加大，达到某一数值时，PN 结的电流不再保持IS，而是迅速变大，这时只要电压 U 的数值稍有增加，电流就增加很多，这种情况叫做反向击穿。发生击穿时的反向电压 UBR 称为反向击穿电压。产生反向击穿的基本原因是，在强电场的作用下，PN 结内的自由电子和空穴大量增加，使反向电流突然增大，PN 结内载流子数目瞬时激增，基于以下两种机制： 当反向电压足够大，PN 结内的电场强度很高，参加漂移的电子在很
