1、§ 1、1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識我們這一章要了解的概念有：本征半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體及它們各自的特征。在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體之前我們還要了解一些物質(zhì)導(dǎo)電性的基礎(chǔ)知識：物質(zhì)為什麼會導(dǎo)電.物質(zhì)為什麼會導(dǎo)電？物質(zhì)的導(dǎo)電性是由原子結(jié)構(gòu)決定的，一般只有低價元素才導(dǎo)電，像：鐵、銅、鋁等金屬。它們的最外層電子受原子核的束縛力很小，因而很容易脫離原子核的束縛變成自由電子。在外電 場的作用下，這些自由電子會產(chǎn)生定向移動，就會產(chǎn)生電流，這樣物質(zhì)就具有了導(dǎo)電性。高價元素的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，不容易成為自由電子，因此它們的導(dǎo)電 性很差。經(jīng)常被作為絕緣體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間。一：本征半導(dǎo)體

2、純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體我們稱之為 本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料有：硅和鍺。它們都是四價元素，原子結(jié)構(gòu)的最外層軌道上有四個價電子，當(dāng)把硅或鍺制成晶體時，它們是靠共價鍵的作用而緊密聯(lián)系在一起。共價鍵中的一些價電子由于熱運(yùn)動獲得一些能量，從而擺脫共價鍵的約束成 為自由電子，同時在共價鍵上留下空位，我們稱這些空位為空穴，它帶正電。我們用晶體結(jié)構(gòu)示意圖來描述一下；如圖（1）所示：圖中的虛線代表共價鍵。在外電場作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流；同時價電子也按一定的方向一次填補(bǔ)空穴，從而使空穴產(chǎn)生定向移動，形成空穴電流。因此，在晶體中存在兩種載流子，即帶負(fù)電自由電子和帶正電空穴，它們是成對出現(xiàn)的。二

3、：雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中兩種載流子的濃度很低，因此導(dǎo)電性很差。我們向晶體中有控制的摻入特定的雜質(zhì)來改變它的導(dǎo)電性，這種半導(dǎo)體被稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中，摻入5價元素，使晶體中某些原子被雜質(zhì)原子所代替，因為雜質(zhì)原子最外層有 5 各價電子，它與周圍原子形成共價鍵后，還多余一個自由電子，因此使其中的空穴的濃度遠(yuǎn)小于自由電子的濃度。但是，電子的濃度與空穴的濃度的乘積是一個常數(shù)，與摻雜無關(guān)。在 N 型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。2.P 型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中， 摻入 3 價元素，晶體中的某些原子被雜質(zhì)原子代替， 但是雜 質(zhì)原子的最外層只有 3 個價電子，它與周圍

4、的原子形成共價鍵后，還多余一個空 穴，因此使其中的空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子的濃度。在 P 型半導(dǎo)體中，自由電子 是少數(shù)載流子，空穴使多數(shù)載流子。§ 1、2 P N 結(jié)（第一頁）我們通過現(xiàn)代工藝，把一塊本征半導(dǎo)體的一邊形成 P 型半導(dǎo)體，另一邊形成 N 型半導(dǎo)體，于是這兩種半導(dǎo)體的交界處就形成了 PN 結(jié)，它是構(gòu)成其它半導(dǎo)體的 基礎(chǔ)，我們要掌握好它的特性！一：異形半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象在形成的 PN 結(jié)中，由于兩側(cè)的電子和空穴的濃度相差很大，因此它們會產(chǎn)生 擴(kuò)散運(yùn)動：電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散；空穴從P去向N區(qū)擴(kuò)散。因為它們都是帶電粒子, 它們向另一側(cè)擴(kuò)散的同時在 N區(qū)留下了帶正電的空穴，在 P區(qū)留下

5、了帶負(fù)電的雜質(zhì)離 子,這樣就形成了空間電荷區(qū),也就是形成了電場 （自建場 ）. 它們的形成過程如圖（ 1），（ 2）所示在電場的作用下，載流子將作漂移運(yùn)動，它的運(yùn)動方向與擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反，阻 止擴(kuò)散運(yùn)動。電場的強(qiáng)弱與擴(kuò)散的程度有關(guān)，擴(kuò)散的越多，電場越強(qiáng)，同時對擴(kuò)散運(yùn) 動的阻力也越大，當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動相等時，通過界面的載流子為0。此時，PN結(jié)的交界區(qū)就形成一個缺少載流子的高阻區(qū)，我們又把它稱為阻擋層或耗盡層。§ 1、2 P N 結(jié)（ 第二頁）二：PN結(jié)的單向?qū)щ娦晕覀冊赑N結(jié)兩端加不同方向的電壓，可以破壞它原來的平衡，從而使它呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)外加正向

6、電壓的接法是 P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負(fù)極。這時外加 電壓形成電場的方向與自建場的方向相反，從而使阻擋層變窄，擴(kuò)散作用大于漂移 作用，多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成正向電流， 方向是從P區(qū)指向N區(qū)。如圖（1） 所示夕卜電場自建場'1（1）Q Q QN這時的PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，它所呈現(xiàn) 的電阻為正向電阻，正向電壓越大，電流 也越大。它的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：JL其中：Id為流過PN結(jié)的電流，U為PN結(jié)兩端的電壓，U=kT/q稱為溫度電壓當(dāng)量，其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電量，在室溫下（300K時UT=26mv Is為反向飽和電流。這個公式我們要掌握好！2.PN結(jié)外加反向電

7、壓它的接法與正向相反，即P區(qū)接電源的負(fù)極，N區(qū)接電源的正極。此時的外加電壓形成電場的方向與自建場的方向相同，從而使阻擋層變寬，漂移作用大于擴(kuò)散作用，少數(shù)載流子在電場的作用下，形成漂p移電流，它的方向與正向電壓的方向相 反，所以又稱為反向電流。因反向電流是 少數(shù)載流子形成，故反向電流很小，即使 反向電壓再增加，少數(shù)載流子也不會增 加，反向電壓也不會增加，因此它又被稱 為反向飽和電流。即：I D=-| S此時，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，呈現(xiàn)的電阻為反向電阻，而且阻值很高。由以上我們可以看出：PN結(jié)在正向電壓作用下，處于導(dǎo)通狀態(tài)，在反向電壓的作用下，處于截止?fàn)顟B(tài)，因此 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｋ碾娏骱碗妷?/p>

8、的關(guān)系通式為:3）JL爐勾（e旳-1）它被稱為伏安特性方程，如圖（為伏安特性曲線。§ 1、2 P N 結(jié)（ 第三頁）三: PN結(jié)的擊穿壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。對于硅材料的PN結(jié)來說，擊穿電壓7v時為雪崩擊穿，4v時為齊納擊穿。在 4v與7v之間，兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，我們在使?時要避免。擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。四：PN結(jié)的電容效應(yīng)由于電壓的變化將引起電荷的變化，從而出現(xiàn)電容效應(yīng)，PN結(jié)內(nèi)部有電荷的變化，因此它具有電容效應(yīng)，它的電容效應(yīng)有兩種：勢壘電容和擴(kuò)散電容。勢壘電容是由阻

9、擋層內(nèi)的空間電荷引起的。擴(kuò)散電容是PN結(jié)在正向電壓的作用下，多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中引起電荷 的積累而產(chǎn)生的。PN結(jié)正偏時，擴(kuò)散電容起主要作用，PN結(jié)反偏時，勢壘電容起主要作用。§ 1、2 P N 結(jié)（ 第四頁）這一頁我們來學(xué)習(xí)二極管的一些知識，它是這門課程的基礎(chǔ)。五：半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管是由 PN結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成的。它的類型很多。按制造材料分：硅二極管和鍺二極管。按管子的結(jié)構(gòu)來分有：點接觸型二極管和面接觸型二極管。二極管的邏輯邏輯符號為：匸訃三 擁 ：匚沁1二極管的特性正向特性當(dāng)正向電壓低于某一數(shù)值時，正向電流很小，只有當(dāng)正向電壓高于某一值時，二極管才有明顯的正向電流，這個電

10、壓被稱為導(dǎo)通電壓，我們又稱它為門限電壓或死區(qū)電壓，一般用UOn表示，在室溫下，硅管的 UON約為0.6-0.8V ，鍺管的UbN約為0.1-0.3V，我們一般認(rèn)為當(dāng)正向電壓大于 UbN時，二極管才導(dǎo)通。否則截止。反向特性二極管的反向電壓一定時，反向電流很小，而且變化不大（反向飽和電流），但反向電壓大于某一數(shù)值時，反向電流急劇變大，產(chǎn)生擊穿。溫度特性二極管對溫度很敏感，在室溫附近，溫度每升高1度，正向壓將減小2-2.5mV，溫度每升高10度，反向電流約增加一倍。§ 1、2 P N結(jié)（第五頁）2二極管的主要參數(shù)我們描述器件特性的物理量，稱為器件的特性。二極管的特性有：最大整流電流If它是

11、二極管允許通過的最大正向平均電流。最大反向工作電壓 Ur它是二極管允許的最大工作電壓，我們一般取擊穿電壓的一般作Ur反向電流Ir二極管未擊穿時的電流，它越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。最高工作頻率fM它的值取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小，電容越大，頻率約高。二極管的直流電阻RD 加在管子兩端的直流電壓與直流電流之比，我們就稱 為直流電阻，它可表示為：FR=UF/I f它是非線性的，正反向阻值相差越大，二極管 的性能越好。二極管的交流電阻rd在二極管工作點附近電壓的微變化與相應(yīng)的微變化電流值之比，就稱為該點的交流電阻。六：穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是利用二極管的擊穿特性。 它是因為二極管工作在反向擊穿區(qū)， 反

12、向電流變化很大的情況下，反向電壓變化則很小，從而表現(xiàn)出很好的穩(wěn)壓特性。§ 1、2 P N結(jié)（第六頁）七：二極管的應(yīng)用我們運(yùn)用二極管主要是利用它的單向?qū)щ娦?。它?dǎo)通時，我們可用短線來代替它，它截止時，我們可認(rèn)為它斷路。i限幅電路當(dāng)輸入信號電壓在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓也隨著輸入電壓相應(yīng)的變化； 當(dāng)輸入電壓高于某一個數(shù)值時，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。我們把開始 不變的電壓稱為限幅電平。它分為上限幅和下限幅。例1.試分析圖所示的限幅電路，輸入電壓的波形為圖（2）,畫出它的限幅電路的波形八嚴(yán)0k- (2)Uo=0, u <0 時，二極管截止，uo=u，（1） E=0時限幅電平

13、為0v°Ui>0時二極管導(dǎo)通,它的波形圖為：如圖（3）所示0 當(dāng)0<E<UM時，限幅電平為+巳uv+E時，二極管截止，Uo=Ui ； u>+E時，二極_f07'丿基電根0F岌射fi【c?基電極口SffiboPIP岌射槻巳管導(dǎo)通,Uo=E,它的波形圖為：如圖所示 當(dāng)-Um<E<0時，限幅電平為負(fù)數(shù),它的波形 圖為：如圖（5）所示二：二極管門電路二極管組成的門電路，可實現(xiàn)邏輯運(yùn)算。如圖（6）所示的電路，只要有一條電路輸入為 低電平時，輸出即為低電平，僅當(dāng)全部輸入為 高電平時，輸出才為高電平。實現(xiàn)邏輯"與"運(yùn)§ 1、

14、3半導(dǎo)體三極管（第-頁）三極管是組成各電子電路的核心器件，它由三個電極。它是我們學(xué)習(xí)的重點:三極管的結(jié)構(gòu)及類型通過工藝的方法，把兩個二極管背靠背的連接起來級組成了三極管。按PN結(jié)的 組合方式有PNP型和NPN型，它們的結(jié)構(gòu)示意圖和符號圖分別為： 如圖（1）、（2） 所示不管是什麼樣的三極管，它們均包含三個區(qū)：發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)，同時相應(yīng)的引出三個電極：發(fā)射極，基極，集電極。同時又在兩兩交界區(qū)形成PN結(jié)，分別是發(fā)射結(jié)和基點結(jié)。:三極管的放大作用（這一問題是重點）我們知道，把兩個二極管背靠背的連在一起，是沒有放大作用的，要想使它 具有放大作用，必須做到一下幾點： 發(fā)射區(qū)中摻雜基區(qū)必須很薄基電結(jié)的

15、面積應(yīng)很大工作時：發(fā)射結(jié)應(yīng)正向偏置，集電結(jié)應(yīng) 反向偏置 載流子的傳輸過程因為發(fā)射結(jié)正向偏置，且發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，所以發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子擴(kuò)散注入至基區(qū)，又由于集電結(jié)的反向作用,故注入至基區(qū)的載流子在基區(qū)形成濃度差，因此h -創(chuàng) g+CSOGo - (1+血 oat?這些載流子從基區(qū)擴(kuò)散至集電結(jié)， 被電場拉至集電區(qū)形成集電極電流。 而留在基區(qū) 的很少，因為基區(qū)做的很薄。我們再用圖形來說明一下，如圖（3）所示:電流的分配關(guān)系由于載流子的運(yùn)動，從而產(chǎn)生相應(yīng)電流，它們 的關(guān)系如下：5 二 A + 人其中：Ice為發(fā)射結(jié)少數(shù)載流子形成的反向飽和電流；Icb。為IB=0時，集電極和發(fā)射 極之間的穿透電流。為

16、共基極電流的放大系數(shù)， P為共發(fā)射極電流的放大系數(shù)。它們可定義為:放大系數(shù)有兩種（直流和交流），但我們一般認(rèn)為，它們二者是相等的，不區(qū)分它們。§ 1、3半導(dǎo)體三極管（第二頁）三：三極管的特性曲線它的特性曲線與它的接法有關(guān)，在學(xué)習(xí)之前，我們先來學(xué)習(xí)一下它的三種不同接法。（1）共基極，如圖（1）所示（2） 共發(fā)射極如圖（2）所示（3） 共集電極如圖（3）所示°0 1eL我們以NPN管共發(fā)射極為例:1.輸入特性它與PN結(jié)的正向特性相似，三極管的兩個 PN結(jié)相互影響，因此，輸出電壓 UCE 對輸入特性有影響，且Uce>1,時這兩個PN結(jié)的輸入特性基本重合。我們用 Uce=O和Uce>=1,兩條曲線 表示，如圖（4）所示它的輸出特性可分為三個區(qū)：（如圖（5）的特性曲線）（1）截止區(qū)：Ib<=0時，此時的集電極電流近似為零，管子的集電極電壓等于電源電壓，兩個結(jié)均反偏（2）飽和區(qū)：此時兩個結(jié)均處于正向偏置，UCe=0.3V放大區(qū)：此時I c=?I b, I c基本不隨UCe變化而變化，此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。§