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1、第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管及其基本电路 1.3 双极型晶体管,半导体器件，如晶体二极管、晶体三极管、MOS管以及集成电路等，是现在构成电子电路的基本元器件。本章首先介绍半导体中的载流子和PN结，然后介绍半导体二极管、双极型三极管等半导体器件的原理、特性及主要参数，并分析讨论由这些器件组成的几种简单电路。讲这些的目的是为了分析讨论由这些器件组成的电路。,1.1 半导体基础知识,电流是由带电粒子按一定方向移动形成的。物体的导电性能取决于该物体内是否存在可自由移动的带电粒子及其多寡。在常态下许多金属（如银、铜、铝等）中存在较多的能够自由移动的、带负电的自由电
2、子，是电的良导体；而稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）和金刚石等的最外层电子，或受原子核的束缚力很强，或受共价键的束缚力很强，很难成为自由电子，是绝缘体。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为IV A族元素，其原子结构如图1.1.1所示。,图1.1.1 Si和Ge的原子结构示意图 (a) Si原子；(b) Ge原子；(c) 简化原子结构模型,1.1.1 本征半导体 将纯净的半导体制成单晶体，如将高纯硅（质量分数可达99.999 999 999%）拉制成单晶硅，即为本征半导体。晶体中的原子形成排列整齐的点阵，称为晶格。晶格中原子之间的距离非常近，
3、每一个原子的最外层的四个电子，不仅受到自身所属原子核的吸引，围绕自身所属原子核运动，还受到相邻原子核的吸引出现在相邻原子最外层电子所属轨道上，为相邻的原子核共用，即与其相邻的四个原子的最外层电子组成共价键，成为稳定结构，如 图1.1.2所示。,图1.1.2 本征半导体共价键结构示意图,晶体中的共价键具有很强的结合力。在绝对零度（即摄氏-273.16度），价电子没有能力脱离共价键的束缚，晶体中没有能自由移动的带电粒子，半导体不能导电。但是半导体的禁带宽度较窄，在常温下，有极少数的价电子因热激发获得足够的能量脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位置，称为空穴，如图1.1.3所示。
4、每个电子带一个负电荷，晶格中的原子因失去一个电子带正电，即每个空穴带一个正电荷。 电子空穴对 电子电流 空穴电流 载流子,图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴,本征半导体在热激发下产生电子空穴对的现象称为本征激发。在电子空穴对产生的同时，自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，两者一起消失，这种现象称为复合。电子空穴对的产生和复合都在不停的发生，在一定的温度下，本征激发产生的电子空穴对与复合的电子空穴对数目相等，达到动态平衡。即在一定温度下，本征半导体中的载流子浓度是一定的。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也相应增多；电子空穴对的增多也增加了电子空穴对
5、复合的机会，最终在升高的载流子浓度下达到新的动态平衡，导电能力提高。,同理，当温度降低时，载流子的浓度降低，导电能力下降。因此，本征半导体的载流子浓度受温度的影响，是温度的函数。本征半导体载流子的浓度为 (1.1.1) 式(1.1.1)表明，当T=0K时，自由电子与空穴的浓度均为0，本征半导体成为绝缘体；当温度升高时，本征半导体载流子的浓度超线性升高。这就是半导体材料的热敏性。它既是造成半导体器件温度稳定性差的原因，又可加以利用制作热敏器件。另外，半导体载流子浓度还受辐射影响，可作为光敏材料。,1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。本征半导体中的载流
6、子是由于热激发产生的，数量很少，因此其导电能力很弱。掺入杂质元素，会使其导电性能发生显著变化。控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。电子浓度高于空穴浓度的称为N(Negative)型半导体，空穴浓度高于电子浓度的称为P(Positive)型半导体。,一、N型半导体 在本征硅(或锗)中掺入VA族元素（如磷P、砷As、锑Sb等），则晶格结构中某些位置由杂质原子占据。由于VA族元素原子的最外层有5个价电子，所以除了与四周硅原子形成共价键外，杂质原子还多出一个电子。这个电子不受共价键的束缚，杂质原子对这个价电子的束缚力也较弱，在常温下，由于热激发，成为自由电子，而杂质原子则缺失了一个电
7、子，又因其在晶格上，成为不能移动的正离子。但整个N型半导体是电中性的。如图1.1.4所示。,图1.1.4N型半导体示意图,由于掺入晶体的杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能就越强。N型半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度，因此称自由电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。 在N型半导体中，由于自由电子的浓度增加，于是增加了电子与空穴复合的机会，因此在同一温度下本征激发产生的空穴的浓度降低。J.米尔曼证明了半导体中两种载流子的浓度的乘积在同一温度下是恒定值，与掺杂浓度无关，即,因此，N型半导体中自由电子越多则空穴越少。例如，本征硅
8、中硅原子的浓度为5.11022cm-3，掺入十亿分之一(10-9)的施主元素，则施主原子的浓度为5.11013cm-3，常温下(T=300K时)每个施主原子提供一个自由电子，于是由掺入的杂质提供的自由电子的浓度 cm-3。这个浓度远大于300K时本征硅激发产生的自由电子浓度1.431010 cm-3，所以自由电子的浓度n基本上等于ND。于是空穴浓度为 cm-3。由此可见p远小于n，N型半导体中的电流基本上是自由电子的电流。此掺杂浓度的N型半导体的电阻率约为89.3cm，而本征硅300K时的电阻率约为2.14105cm。即微量的掺杂可大幅提高半导体的导电能力。,二、P型半导体 在本征硅(或锗)中
9、掺入IIIA族元素（如硼B、铝Al、铟In等），则形成P型半导体。由于IIIA族元素原子的最外层有3个价电子，所以当它们与四周硅原子形成共价键时，就出现了一个“空位”（空位为电中性）如图1.1.5所示。这些空位形成受主能级，在室温下受主能级非常接近价带顶部能级，使得价带中的价电子跃迁到受主能级，同时在键带形成空穴，而杂质原子成为不可移动的负离子。因杂质原子共价键中的空位吸收电子，故称之为受主原子。,图15 P型半导体示意图,半导体中的电流 在半导体中有两种电流。 一、漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。 漂移电流的大小将
10、由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。,2、扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。反映在浓度分布曲线上，扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率。,图1.1.6 PN结的形成,1.1.3 PN结 一、PN结的形成,PN结 / 空间电荷区 /阻挡层 / 耗尽层 PN结处于平衡状态时，流过PN结的电流为0，空间电荷区有一定的宽度，并有一定的电位差Uho。空间电荷区内正、负电荷的电
11、量相等，因此，当P区与N区掺杂浓度相等时，负离子区的宽度与正离子区的宽度也相等，称为对称结；当两边掺杂浓度不相等时，掺杂浓度高的一侧的离子区较掺杂浓度低的一侧的离子区窄，称为不对称结，如图1.1.7所示，,图1.1.7 不对称PN结 +号表示掺杂浓度高。这两种结在外部特性上没有差别。,二、PN结的单向导电性 使P区电位高于N区电位的接法，称PN结外加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图1.1.8 所示。外电场的方向与内电场的方向相反，使阻挡层的势垒降低，或者说，外电场将P区的多子空穴和N区的多子自由电子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，打破了原来的平衡，使扩散运动增强，漂移运动减弱。由于
12、电源的作用，多子的扩散运动不断地进行，形成正向电流，PN结处于导通状态。 由于PN结导通时其上的压降不到1V，所以在其回路中必须串接电阻以限制电流，防止PN结因电流过大而烧毁。,图1.1.8 PN结 加正向电压时导通,使P区电位低于N区电位的接法，称PN结外加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如图1.1.9示。此时外电场方向与内电场方向相同，使空间电荷区变宽，进一步阻止扩散运动，但加剧了漂移运动，这也打破了原来的平衡，使得参与漂移运动的少子数目多于参与扩散运动的多子数目，形成反向电流，也称为漂移电流。由于少子的浓度很低，即使所有少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，在近似分析中常将其忽略不计，认
13、为PN结处于截止状态。,图1.1.9 PN结加反向电压时截止,三、PN结的伏安特性 根据费米能级的概念和载流子的波尔兹曼分布规律，以突变结为例，可得到PN结所加端电压与流过PN结的电流的关系为 (1.1.3) 式中， 为反向饱和电流，q为电子的电量，k为波耳兹曼常数，T为热力学温度。记 ，则 (1.1.4) 由于k和q为常量，故UT为热力学温度T（K）的函数，即UT是T的电压当量，称为温度电压当量。常温下，即T=300K时， UT 26mV。这是今后常用的一个参数。,式(1.1.4)同样适用于扩散结。 由式(1.1.4)，当PN结外加正向 电压，且uUT时， ， ，即i随u按指数规律 变化；当
14、PN结外加反向电压， 且|u|UT时(|u|U(BR)， ， ，为反向饱和电流。 图1.1.10 PN结的伏安特性,四、 PN结的击穿 外加反向电压时，反向电流不仅很小，而且当反向电压超过零点几伏后，几乎全部少子皆参与导电，即反向饱和电流，因此在一定的外加电压范围内反向电流的幅值几乎不随电压的增大而增加，反向特性曲线为一水平线。由于少子浓度受温度影响，所以反向饱和电流的大小主要受温度影响。但是反向电压超过U(BR)后，反向电流急剧增加，这种现象称为反向击穿，U(BR)称为击穿电压。 PN结的击穿按机理分为齐钠击穿和雪崩击穿两种情况。 对于硅材料的PN结，反向击穿电压在7V以上的一般为雪崩击穿；
15、4V以下的一般为齐钠击穿；47V之间的则两种情况都有。,五、 PN结的电容效应 PN结的电容效应分为势垒电容和扩散电容。 1.势垒电容 图1.1.11 PN结的势垒电容 (a)耗尽层的电荷随外加电压变化 (b)势垒电容和外加电压的关系,空间电荷区宽窄变化所等效的电容称为势垒电容，用Cb表示，它与结面积、半导体材料的介电常数成正比，与空间电荷区宽度成反比。Cb具有非线性，因为空间电荷区宽度与外加电压有关。可以利用这一特性制成各种变容二极管。Cb与外加电压u的关系如图1.1.11(b)需要作图所示，解析表达式为 式中：Cb0为外加电压u=0时的Cb值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定，Uho为空间
16、电荷区内电场电位差，n为变容指数，与PN结的制作工艺有关。,2.扩散电容 正向偏置的PN结，多子在扩散过程中越过PN结到达另一区则成为另一区的少子。这种少子的积累也有电容效应。PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子，PN结处于正向偏置时从P区扩散到N区的空穴和从N 扩散到P区的电子称为非平衡少子。当外加正向电压时，靠近耗尽层交界面处非平衡少子的浓度高，离交界面远的地方浓度低，非平衡少子的浓度自高到低逐渐衰减，直到零，形成一定的浓度梯度，如图1.1.12所示，从而形成扩散电流。,图1.1.12 P区少子浓度分布曲线,同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的增加量Qp。这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用Cd表示。 Cd也具有非线性，它与流过PN结的正向电流i、温度的电压当量UT以及非平衡少子的寿命 有关。i越大、 越大、UT越小，Cd就越大。 Cb和Cd
