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1、1.1 半导体器件的基本知识1.2 半导体二极管1.3 半导体三极管1.4 场效应管1.1 半导体器件的基本知识1.1.1 本征半导体及其导电性1.1.2 杂质半导体1.1.3 半导体中载流子运动和温度特性根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导 体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。1.1.1 本征半导体及其导电性(1)本征半导体的共价键结构(2)电子空穴对(3)空穴的移动本征半导体化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。(1
2、）本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的 四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原 子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这 些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排 列有序的晶体。 这种结构的立体和平面示意图见图01.01。图01.01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图(c)（2）电子空穴对当导体处于热力学温度0K时，导体中没 有自由电子。当温度升高或受到光的照射 时，价电子能量增高，有的价电子可以挣 脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由 电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价 键中就出现了一个空位，原子
3、的电中性被破 坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电 量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为 空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是 同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部 分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合， 如图01.02所示。 本征激发和复合在一定温度下 会达到动态平衡。图01.02 本征激发和复合的过程(3) 空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流，空 穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方 向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键 中的价电子依次充填空穴来实现的。1.1.2 杂质半导体(1) N型半导体(2) P型半导体在本征半导体中掺入
4、某些微量元素作 为杂质，可使半导体的导电性发生显著变 化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。(1）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形 成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导 体的结构示意图如图01.04所示。图01.04 N型半导体
5、结构示意图(2) P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等 形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图 如图01.05所示。图01.05 P型半导体的结构示意图图01.05 P型半导体的结构示意图漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在 电场的作用下产生的运动。其运动产生的 电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形 成浓度高
6、的区域向浓度低的区域扩散，产 生扩散运动。1.1.3 半导体的载流子运动和温度特性一、载流子的运动二、杂质对半导体导电性的影响掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm31.1.4 PN结一、PN结的形成二、PN结的单向导电性三、PN结的电容效应四、PN结的击穿特性一、 PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成
7、N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。图01.06 PN结的形成过程PN 结形成 的过程可参阅 图01.06。二、 PN结的单向导电性如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区， PN结
8、呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有 一部分降落在PN结区， 方向与PN结内电场方向 相反，削弱了内电场。 于是,内电场对多子扩散 运动的阻碍减弱，扩散 电流加大。扩散电流远 大于漂移电流，可忽略 漂移电流的影响，PN结 呈现低阻性。PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。图01.07 PN结加正向电压 时的导电情况(2) PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与 PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强， 扩散电
9、流大大减小。此时 PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略扩散 电流，PN结呈现高阻性。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓 度是一定的，故少子形成 的漂移电流是恒定的，基 本上与所加反向电压的大 小无关，这个电流也称为 反向饱和电流。 PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。图 01.08 PN结加反向电压时 的导电情况PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电 流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结 论：PN结具有单向导电性。图 01.08 PN结加反向电压 时的导电情况三、PN结的电容效应PN结具有一
10、定的电容效应，它由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。(1) 势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的 厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷 量也随之变化，犹如电容的充放电。 (2) 扩散电容CD扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电 流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的 附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电 流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的
11、多子的 浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程 。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。四、PN结的击穿特性当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流 将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此 现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：雪崩击穿：当反向电压足够高时（U6V） PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子 加速，与中性原子相碰，使之价电子受激 发产生新的电子空穴对，又被加速，而形 成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤 增。齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结 的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压 （UIEPIEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ，ICNIBNIC=ICN+
12、 ICBO IB=IEP+ IBNICBO IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) IE =IC+IB(1)三种组态双极型三极管有三个电极，其中两个可 以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种 组态，见图02.03。共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；图 02.03 三极管的三种组态1.3.1.3 双极型半导体三极管的电流关系(2)三极管的电流放大系数对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的 关系可以用
13、系数来说明，定义:称为共基极直流电流放大系数。它表示最 后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE 的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN， 所以 的值小于1, 但接近1。由此可得: IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO因 1, 所以 1定义:=IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB 称为共发射极接法直流电流放大系数。于是这里，B表示输入电极，C表示输出电极 ，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。 输入特性
14、曲线 iB=f(vBE) vCE=const输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即1.3.1.4 双极型半导体三极管的特性曲线共发射极接法的供电电路和电压-电流 关系如图02.04所示。图02.04 共发射极接法的电压-电流关系简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。(1) 输入特性曲线vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响 。共发
15、射极接法的输入特性曲线见图02.05。其 中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线 。 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反 偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE 再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三 极管内部反馈所致， 右移不明显说明内部反馈 很小。输入特性曲线的分 区：死区非线性区 线性区 图02.05 共射接法输入特性曲线(2)输出特性曲线共发射极接法的输出特性曲线如图02.06所示，它是以 iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明， 当vCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大时 ， 发射结虽处于正向电压 之下，但集电结反偏电 压很小，如vCE 1 VvBE=0.7 VvCB= vCE- vBE= 0.7 V集电区收集电子的能力 很弱，iC主要由vCE决定。 图02.06 共发射极接法输出特性曲线当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE 1 VvBE 0.7 V运动到集电结的电子 基本上都可以被集电 区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显 的增加，特性曲线进 入与vCE轴基本平行的
