1、第一章半导体器件1、1 半导体的基础知识自然界的各种物质就其导电性能来说，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介乎导体和绝缘体之间。1.1.1. 本征半导体 纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；一般来说，共价键中的价电子不完全
2、象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等） ，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，将这种物理现象称作为本征激发。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，在一定温度下达到动态平衡，载流子便维持一定数目。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。 动画演示 两种载流子1.1.2. 掺杂半导体相对而言，本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为 N 型和 P 型两大类。N 型半
3、导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。P 型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。1、2 PN 结121 异形半导体接触现象在形成的 PN 结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从 N 区向 P 区扩散；空穴从 P 去向 N
4、 区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在 N 区留下了带正电的空穴，在 P 区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场(自建场).它们的形成过程如图（1） ， （2）所示在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。此时，PN 结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。122 PN 结的单向导电性1 PN 结外加正向电压PN 结外加正向电压的接法是 P 区接电源的
5、正极，N 区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从 P 区指向 N 区。如图（1）所示这时的 PN 结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。它的关系是指数关系：其中：I D 为流过 PN 结的电流，U 为 PN 结两端的电压，UT=kT/q 称为温度电压当量，其中，k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度，q 为电子电量，在室温下（300K）时 UT=26mv，I S 为反向饱和电流。2 PN 结外加反向电压它的接法与正向相反，即 P 区接电源的负极，N 区接电源的
6、正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流。即：I D=-IS此时，PN 结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。由以上我们可以看出：PN 结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此 PN 结具有单向导电性。它的电流和电压的关系通式为：它被称为伏安特性方程，如图（ 3）所示为伏安特性
7、曲线。3 PN 结的击穿PN 结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过 PN 结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。对于硅材料的 PN 结来说，击穿电压7v 时为雪崩击穿，0 时二极管导通，u o=0，u i+E 时,二极管导通,u o=E,它的波形图为:如图(4)所示当-U M1,时这两个PN 结的输入特性基本重合。我们用 UCE=0 和 UCE=1,两条曲线表示，如图（4）所示（2）.输出特性它的输出特性可分为三个区：（如图（5）的特性曲线）(1)截止区：I B=0 时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电
8、极电压等于电源电压，两个结均反偏(2)饱和区：此时两个结均处于正向偏置，U CE=0.3V (3)放大区:此时 IC=IB，I C基本不随 UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。4 三级管主要参数（1）.放大系数它主要是表征管子放大能力。它有共基极的放大系数和共发射极的放大系数。它们二者的关系是：（2）.极间的反向电流（a）集电极基极间反向饱和电流 ICBO发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个 PN 结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：I CBO 为 A(10-6)数量级，硅管：I CBO 为 nA(10-9)数量级。（b）集电极发射极间的穿透电流 I
9、CEO基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。其大小与温度有关。 ICEO与 ICBO关系为：ICEO=（1+） ICBO(3).极限参数(a) 集电极最大允许电流ICMIc 增加时， 要下降。当 值下降到线性放大区 值的 70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流 ICM。(V)安全工作区示意？ICMU(BR)CEOBICEuiIBC=100uAB =80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCM(b) 集电极最大允许功率损耗 PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PC= ICUCE (c) 基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压 U(BR)CEO。(4). 参数与温度的关系由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温度升高，放大系数也增加。
