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1、第1章 半导体器件,半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，是构成各种电子电路的核心，常用的半导体元器件有二极管、晶体管、场效应管等。,半导体元器件由半导体材料制成，因此，学习电子技术应首先了解半导体材料的特性，这将有助于对半导体元器件的学习、掌握和应用。,1.1 半导体器件的基础知识,1.1.1 半导体材料,导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、硼、砷、铟等，他们的电阻率在10-3107欧.厘米。,半导体材料的广泛应用，并不是因为它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，而是它们具有一些重要特性：,1）当半导体受到外界光和热的激发（本征激
2、发）时，其导电能力发生显著的变化；,半导体的这些特点取决于这类物质的化学特性。,2）若在半导体中加入微量的杂质（不同的半导体）后，其导电能力显著的增加；,在这里，我们的目的不是研究半导体材料，而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术语，如多数、少数载流子，P型半导体、N型半导体，PN结，载流子的扩散与漂移运动，PN结的正反偏置，PN结的导通与截止等。,绝对纯净的硅、锗、磷、砷、硼、铟叫做本征半导体。,1.1.2 本征半导体,1)半导体的化合价,物质的化学和物理性质都与物质的价电子数有密切的关系，半导体材料大都是三、四、五价元素。硅、锗（四价）、磷、砷（五价）、硼、铟（三价）。,2)化学键,物
3、质化学键分离子键、共价键和金属键三种，半导体物质的化学键都属于共价键的晶体结构，同时它们的键长一般很长，故原子核对价电子的束缚力不象绝缘物质那样紧，当价电子获得一定的能量后，就容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。,1.化学特性,共有价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子；,可见半导体中的载流子有两种，即自由电子（）和空穴()。本征半导体的载流子是由本征激发而产生的，其自由电子与空穴是成对出现，即有一个自由电子，就一定有一个空穴，故称电子空穴对。,由于空穴带正电，容易吸引邻近的价电子来填补，从而形成了共有价电子的运动，这种运动无论从效果上，还是从现象上，都好象一个带正电的空穴在移动，它不同于自由电子的
4、运动，故称之为空穴运动。,物质的导电是靠物体内带电粒子的移动而实现的，这种粒子称作载流子。金属中的载流子是自由电子。,2.半导体的导电机构,1）载流子的概念,由于共有价电子的离去，使共价键结构上留下一个空位，电子技术中称之为“空穴”。此时该共价键原子的中性被破坏，成为带正电的离子，电子技术中称之为产生了带正电的“空穴”。,2）半导体的载流子,当半导体受到本征激发时，将出现如下物化过程和现象：,本征半导体中的自由电子与空穴的总数是相等的,其浓度取决于本征激发的强度。,而施主杂质因失去一个价电子成为正离子。而在这种半导体中载流子主要是自由电子，自由电子带负电荷（Negative），故命名为N型半导
5、体。于是用这样的示意图表示。,参杂半导体中电子与空穴的数目就不再是相等了，将要出现电子数大于空穴数或空穴数大于电子数。把数目多的载流子称多数载流子，数目少的载流子称少数载流子。是自由电子为多数还是空穴为多数，取决于掺杂物质。少数载流子的浓度取决本征激发。,1.1.3 杂质半导体,本征半导体中有载流子，但数量很少，故没有实用价值，须对本征半导体进行改造，以增加载流子的数量。其有效的措施是在四价元素中掺入微量三价或五价元素（杂质），这种掺杂后得到的半导体称杂质半导体。（人们常称的半导体，实际是指的杂质半导体，而不是本征半导体）由于掺入的杂质不同，杂质半导体分为N型和P型两大类。在介绍N型和P型的含
6、义之前先介绍有关术语。,施主杂质,N型,1.N型半导体,P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子为自由电子,受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷（Positive）故命名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。,2.P型半导体,受主杂质,P型,在浓度差的作用下，载流子从高浓度方向低浓度方扩散。由NP 由PN,1.1.4 PN结,2）交界处的物理过程,1）结构示意图,1.PN结的形成,在交界面两边自由电子和空穴出现很大的浓度差，在浓度差的作用下，将产生一系列的物理过程。,多数载流子的扩散运动,实用中是通过工艺的手段把P型和N型半导体有机的结合起来，
7、形成一个所谓的PN结，它是现代电子技术迅速发展的物质基础。它是构成各种电子器件的最基本的积木块。,P型和N型半导体单独使用，仅起到电阻元件的作用，所以单个P型和N型半导体其使用价值仍然不大。,当少数载流子越过交界到达彼区时，与彼区的异性离子中和，结果使内电场减弱，即阻挡层变薄，阻挡层变薄有利于扩散运动的进行。,载流子扩散到彼区，与那里的异性载流子中和而消失，而在交界处两边附近留下不能移动的离子。,由此可见，载流子的扩散与漂移运动是一对相伴随而存在的一对矛盾。在一定的条件下二者达到动态平衡。,由于正负离子不能移动，空间电荷建立了一个电场，即内电场。,这个仅有正负离子的区域称为空间电荷区。区域里没
8、有载流子，故又称为耗尽层，该区域很薄，所谓PN结就是指的耗尽层。,内电场有阻止载流子的扩散运动性质。从这个意义上讲，空间电荷区又叫做阻挡层。,内电场对多数载流子的扩散运动起阻碍作用，但对少数载流子起推动作用，使之向彼区运动。可见少数载流子要作漂移运动。,所谓漂移运动，载流子在电场作用下的运动。,内电场形成及阻碍载流子扩散运动,载流子中和（耗尽）,（少数）载流子的漂移运动,2.PN结的单向导电性,1）PN结的电阻,在实用中，为了改变、控制PN结的厚度，以改变和控制电阻的大小。常在PN结上加上一定的外加电压，此称为给PN结设置偏置电压，简称偏置。,由于空间电荷区中的载流子极少，故PN结的电阻很大，
9、与P区和N区的体电阻相比要大的多，若在两端加电压，可认为其电压全部降落在PN结上。,2）导通的含义,PN结电阻的大小与空间电荷区的厚度有关，厚度越厚电阻越大，反之越小。所谓PN结的导通，是指PN结呈现低电阻值，反之，称为截止。,3）PN结的偏置,正向偏置,反向偏置,3.PN结的伏安特性,(1)伏安特性,PN结只有在正偏时才能导通的特性称PN结的单向导电特性。但要明确，截止并不意味电流为零，此时有少数载流子的漂移而形成很小电流，此电流称反向饱和电流。用Is表示。,该曲线可以用下式表示,PN结正偏时，当,PN结的伏安特性表达式可简化为,(2)技术参数,死区,反向,正向,URWM,IoM,导通区,硅
10、0.60.8V,锗0.20.3V,锗0.1V,硅0.5V,正向特性：,IS,死区电压,导通电压,反向饱和电流Is,反向特性：,饱和区,4.PN结的击穿特性,UBR,齐纳击穿,雪崩击穿,热击穿（破坏性）,反向饱和电流Is,反向特性：,击穿电压 U（BR）,电击穿（可逆）,反向击穿,击穿区,5.PN结的电容效应,Cj=CB+CD,PN结的电容效应，可从两个方面来理解：PN结是一个空间电荷区，相当于一个充电的平板电容器，此电容称势垒电容，用CB表示，当PN结加正向偏置电压时，多数载流子要进行扩散运动，于是将引起电荷的变化，此等效电容称为扩散电容，用CD表示。,当PN结偏置电压改变时，空间电荷也随之改变。因此，PN结有电容效应。,所谓电容，存储电荷的容器。电容效应则表现为，电容上的电压变化时，电容器存储电荷的增减，即电容器的充放电过程。,所以PN结的结电容为,PN结正偏时，结电容以扩散电容为主，反偏时，基本上等于势垒电容。,
