搜索
§1、1半导体的基础知识我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。在学习半导体之前我们还要了解一些物质导电性的基础知识：物质为什麽会导电.物质为什麽会导电？物质的导电性是由原子结构决定的，一般只有低价元素才导电，像：铁、铜、铝等金属。它们的最外层电子受原子核的束缚力很小，因而很容易脱离原子核的束缚变成自由电子。在外电场的作用下，这些自由电子会产生定向移动，就会产生电流，这样物质就具有了导电性。高价元素的最外层电子受原子核的束缚力很强，不容易成为自由电子，因此它们的导电性很差。经常被作为绝缘体。半导体的导电性介于导体与绝缘体之间。一: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。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。二：杂质半导体在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2.P型半导体在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。§1、2P—N结(第一页)我们通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了P—N结，它是构成其它半导体的基础，我们要掌握好它的特性！一：异形半导体接触现象在形成的P—N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。§1、2P—N结(第二页)二：PN结的单向导电性我们在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。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：ID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，IS为反向饱和电流。这个公式我们要掌握好！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：ID=-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）所示为伏安特性曲线。§1、2P—N结(第三页)三：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，4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。击穿并不意味着PN结烧坏。四：PN结的电容效应由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容效应有两种：势垒电容和扩散电容。势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。扩散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。PN结正偏时，扩散电容起主要作用，PN结反偏时，势垒电容起主要作用。§1、2P—N结(第四页)这一页我们来学习二极管的一些知识，它是这门课程的基础。五：半导体二极管半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。它的类型很多。按制造材料分：硅二极管和锗二极管。按管子的结构来分有：点接触型二极管和面接触型二极管。二极管的逻辑逻辑符号为：1.二极管的特性正向特性当正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值时，二极管才有明显的正向电流，这个电压被称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压，一般用UON表示，在室温下，硅管的UON约为0.6----0.8V，锗管的UON约为0.1--0.3v，我们一般认为当正向电压大于UON时，二极管才导通。否则截止。反向特性二极管的反向电压一定时，反向电流很小，而且变化不大（反向饱和电流），但反向电压大于某一数值时，反向电流急剧变大，产生击穿。温度特性二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高1度，正向压将减小2--2.5mV，温度每升高10度，反向电流约增加一倍。§1、2P—N结(第五页)2.二极管的主要参数我们描述器件特性的物理量，称为器件的特性。二极管的特性有：最大整流电流IF它是二极管允许通过的最大正向平均电流。最大反向工作电压UR它是二极管允许的最大工作电压，我们一般取击穿电压的一般作UR反向电流IR二极管未击穿时的电流，它越小，二极管的单向导电性越好。最高工作频率fM它的值取决于PN结结电容的大小，电容越大，频率约高。二极管的直流电阻RD加在管子两端的直流电压与直流电流之比，我们就称为直流电阻，它可表示为：RD=UF/IF它是非线性的，正反向阻值相差越大，二极管的性能越好。二极管的交流电阻rd在二极管工作点附近电压的微变化与相应的微变化电流值之比，就称为该点的交流电阻。六：稳压二极管稳压二极管是利用二极管的击穿特性。它是因为二极管工作在反向击穿区，反向电流变化很大的情况下，反向电压变化则很小，从而表现出很好的稳压特性。§1、2P—N结(第六页)七：二极管的应用我们运用二极管主要是利用它的单向导电性。它导通时，我们可用短线来代替它，它截止时，我们可认为它断路。1.限幅电路当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。例1.试分析图(1)所示的限幅电路,输入电压的波形为图(2),画出它的限幅电路的波形(1)E=0时限幅电平为0v。ui0时二极管导通，uo=0，ui0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：如图（3）所示(2)当0EUM时，限幅电平为+E。ui+E时，二极管截止，uo=ui；ui+E时,二极管导通,uo=E,它的波形图为:如图(4)所示(3)当-UME0时,限幅电平为负数,它的波形图为:如图(5)所示二：二极管门电路二极管组成的门电路，可实现逻辑运算。如图(6)所示的电路，只要有一条电路输入为低电平时，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平。实现逻辑与运算.§1、3半导体三极管（第一页）三极管是组成各电子电路的核心器件，它由三个电极。它是我们学习的重点一：三极管的结构及类型通过工艺的方法,把两个二极管背靠背的连接起来级组成了三极管。按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，它们的结构示意图和符号图分别为：如图（1）、（2）所示不管是什麽样的三极管，它们均包含三个区：发射区，基区，集电区，同时相应的引出三个电极：发射极，基极，集电极。同时又在两两交界区形成PN结，分别是发射结和基点结。二：三极管的放大作用（这一问题是重点）我们知道，把两个二极管背靠背的连在一起，是没有放大作用的，要想使它具有放大作用，必须做到一下几点：发射区中掺杂基区必须很薄基电结的面积应很大工作时：发射结应正向偏置，集电结应反向偏置载流子的传输过程因为发射结正向偏置，且发射区进行重掺杂，所以发射区的多数载流子扩散注入至基区，又由于集电结的反向作用，故注入至基区的载流子在基区形成浓度差，因此这些载流子从基区扩散至集电结，被电场拉至集电区形成集电极电流。而留在基区的很少，因为基区做的很薄。我们再用图形来说明一下，如图（3）所示：电流的分配关系由于载流子的运动，从而产生相应电流，它们的关系如下：其中：ICEO为发射结少数载流子形成的反向饱和电流；ICBO为IB=0时，集电极和发射极之间的穿透电流。为共基极电流的放大系数，为共发射极电流的放大系数。它们可定义为：放大系数有两种（直流和交流），但我们一般认为，它们二者是相等的，不区分它们。§1、3半导体三极管（第二页）三：三极管的特性曲线它的特性曲线与它的接法有关，在学习之前，我们先来学习一下它的三种不同接法。（1）共基极，如图（1）所示（2）共发射极如图（2）所示（3）共集电极如图（3）所示我们以NPN管共发射极为例：1.输入特性它与PN结的正向特性相似，三极管的两个PN结相互影响，因此，输出电压UCE对输入特性有影响，且UCE1,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：IB=0时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电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，UCE=0.3V(3)放大区:此时IC=ßIB，IC基本不随UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。§1、3半导体三极管（第三页）四：三级管主要参数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（它们是有少数载流子形成的）（1）：基电极--基极的反向饱和电流。（2）ICEO：穿透电流，它与ICBO关系为：ICEO=（1+ß）ICBO五：参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。