1、(1-1) 电子技术 第一章 半导体器件 模拟电路部分 (1-2) 第一章 半导体器件 1.1 半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 半导体三极管 1.5 场效应晶体管 (1-3) 1.1 半导体的基本知识 1.1.1 导体、半导体和绝缘体 导体： 自然界中很容易导电的物质称为 导体 ，金属一般都是导体。 绝缘体： 有的物质几乎不导电，称为 绝缘体 ，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体： 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为 半导体 ，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 (1-4) 半导体 的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它
2、物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。 (1-5) 1.1.2 本征半导体 一、本征半导体的结构特点 Ge Si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成 晶体 。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。 (1-6) 本征半导体： 完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成 共价键 ，共用一对价电子。 硅和锗的晶体结构： (1-7) 硅和锗的
3、共价键结构 共价键共 用电子对 +4 +4 +4 +4 +4表示除去价电子后的原子 (1-8) 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子 ，常温下束缚电子很难脱离共价键成为 自由电子 ，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 +4 +4 +4 +4 (1-9) 二、本征半导体的导电机理 在绝对 0度 （ T=0K） 和没有外界激发时 ,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即 载流子 ），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。 在常
4、温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为 自由电子 ，同时共价键上留下一个空位，称为 空穴 。 1.载流子、自由电子和空穴 (1-10) +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 束缚电子 (1-11) 2.本征半导体的导电机理 +4 +4 +4 +4 在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子 和 空穴 。 (1-12) 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体
5、的一大特点。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 (1-13) 1.1.3 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 P 型半导体： 空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。 N 型半导体： 自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。 (1-14) 一、 N 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与
6、相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为 施主原子 。 (1-15) +4 +4 +5 +4 多余 电子 磷原子 N 型半导体中的载流子是什么？ 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为 多数载流子 （ 多子 ），空穴称为 少数载流子 （ 少子 ）。 (1-16) 二、 P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中
7、的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子 。 +4 +4 +3 +4 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子 。 (1-17) 三、杂质半导体的示意表示法 P 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体 杂质 型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子 。近似认为多子与杂质浓度相等。 (1-18) 1.2
8、 PN结及半导体二极管 2.1.1 PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造 P 型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了 PN 结。 (1-19) P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场 E 漂移运动 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。 内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 空间电荷区， 也称耗尽层。 (1-20) 漂移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
9、+ + + + 扩散运动 内电场 E 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。 (1-21) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间电荷区 N型区 P型区 电位 V V0 (1-22) 1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍 P中的空穴、 N区 中的电子（ 都是多子 ）向对方运动（ 扩散运动 ）。 3、 P 区中的电子和 N区中的空穴（ 都是少 ），数量有限，因此由它们形成的电流很小。 注意 : (1-23) 2.1.2 PN结的单向导电性 PN 结 加上
10、正向电压 、 正向偏置 的意思都是 ： P 区加正、 N 区加负电压。 PN 结 加上反向电压 、 反向偏置 的意思都是： P区加负、 N 区加正电压。 (1-24) + + + + R E 一、 PN 结正向偏置 内电场 外电场 变薄 P N + _ 内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。 (1-25) 二、 PN 结反向偏置 + + + + 内电场 外电场 变厚 N P + _ 内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。 R E (1-26) 2.1.3 半导体二极管 一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 引
11、线 外壳线 触丝线 基片 点接触型 PN结 面接触型 P N 二极管的电路符号： (1-27) 二、伏安特性 U I 死区电压 硅管0.6V,锗管 0.2V。 导通压降 : 硅管 0.60.7V,锗管 0.20.3V。 反向击穿电压 UBR (1-28) 三、主要参数 1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 反向击穿电压 UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压 UWRM一般是 UBR的一半。 (1-29) 3. 反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。 (1-30) 4. 微变电阻 rD iD uD ID UD Q iD uD rD 是二极管特性曲线上工作点 Q 附近电压的变化与电流的变化之比： DDD iur显然， rD是对 Q附近的微小变化区域内的电阻。
