第二章半導體器件
§2.1半導體的基本知識
2.1.1導體、半導體和絕緣體
自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。
有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
另有一類物質的導電特性處於導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、矽、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。
半導體的導電機理不同於其它物質，所以它具有不同於其它物質的特點。比如：
1、當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。（製作特殊器件）
2、往純淨的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。（有可控性）
2.1.2 本徵半導體
一、本徵半導體的結構特點
現代電子學中，用的最多的半導體是矽和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。
完全純淨的、結構完整的半導體晶體，稱為本徵半導體。
在矽和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位於四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。
矽和鍺的共價鍵平面結構（圖）
共價鍵：相鄰原子共有價電子所形成的束縛。
形成共價鍵後，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。
共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。
共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子。
二、本徵半導體的導電機理
1、載流子、自由電子和空穴
在絕對0度（t = 0k）和沒有外界激發時,價電子完全被共價鍵束縛著，本徵半導體中沒有可以運動的帶電粒子,它的導電能力為0，相當於絕緣體。
載流子：運動的帶電粒子稱為
在常溫下，由於熱激發，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子。同時共價鍵上留下乙個空位，稱為空穴。
本徵半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。
２、本徵半導體的導電機理描述
本徵半導體中電流由兩部分組成：自由電子移動產生的電流。空穴移動產生的電流。
本徵半導體的導電能力取決於載流子的濃度。常溫下本徵半導體中的自由電子很少，所以本徵半導體的導電能力很弱。
溫度越高，載流子的濃度越高。因此本徵半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體效能的乙個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。（溫↑導電能力↑）
2.1.3雜質半導體
在本徵半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。
n 型半導體：使自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。
p 型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體,也稱為（空穴半導體）。
（n電p空）
一、n型半導體
摻入少量的五價元素磷（或銻），必定多出乙個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。（n：自由電子+正離子）
n 型半導體中的載流子是：自由電子濃度遠大於空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）
二、p型半導體
摻入少量的三價元素，如硼（或銦），多產生乙個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。（p：空穴+負離子）
2.2pn結及半導體二極體
2.2.1pn結
一、pn結的形成
在同一片半導體基片上，分別製造p 型半導體和n 型半導體，經重載流子的擴散，在它們的交介面處就形成了pn結。
pn結處載流子的運動（看書p40）
1、內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。
2、擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬。
3、所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當於兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。
pn結的形成：
多子擴散（擴散運動）-形成->空間電荷區-產生->內電場（漂移運動）-使->擴散減弱，漂移增加-擴散電流等於漂移電流->動態平衡-形成->穩定的pn結
請注意：1、空間電荷區中沒有載流子，所以空間電荷區又稱為耗盡層。
2、空間電荷區中內電場阻礙p中的空穴、n中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動），故空間電荷區又稱為阻擋層。
3、p中的電子和n中的空穴（都是少子），數量有限，因此由它們形成的電流很小。在定量計算時往往忽略。
二、pn結的特性
1.pn結的單向導電性
pn結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：p區加正、n區加負電壓。
pn結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：p區加負、n區加正電壓。
（正向偏置是p接正電壓）
pn結正向偏置：內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流（ma)，認為pn結導通。注意：串電阻限流。（正極給p提供正電流，促進擴散）
pn結反向偏置：內電場被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。認為pn結截止。形成的微小電流稱為反向飽和電流()。
pn結的導電特性：由上可知，pn結加正向電壓時導通，有較大的電流（多子形成）；而加反向電壓時截止，僅有反向飽和電流（少子形成）。所以， pn結具有單嚮導點特性。
2、pn結的伏安特性
pn結伏安特性方程：
式中：is為反向飽和電流；ut 為溫度電壓當量，當t＝300k時（絕對溫度）,ut≈26mv（記住）
加正向電壓：u＞0,且u >> ut時，伏安特性呈非線性指數規律 ；
加反向電壓：u＜0,且︱u︱>> ut時，電流基本與u無關；
3、pn結的反向擊穿特性
當pn結的反向電壓增大到一定值時，反向電流隨電壓數值的增加而急劇增大，稱為反向擊穿。
pn結的反向擊穿有兩類：齊納擊穿和雪崩擊穿。無論發生哪種擊穿，若對其電流不加以限制，都可能造成pn結的永久性損壞。
4.pn 結電容效應
pn 結之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容cb和擴散電容cd。
*５、pn結溫度特性
當溫度公升高時，pn結的反向電流增大，正嚮導通電壓減小。這也是半導體器件熱穩定性差的主要原因。
2.2.2半導體二極體
一、基本結構
1、結構：乙個pn結加上管殼和引線，就成為半導體二極體。
2、型別：點接觸型（一般是鍺材料）：主要應用在小電流、高頻電路。
面接觸型（一般是矽材料）：主要應用在大電流、低頻電路。
3、符號
半導體二極體的型號(補充)
國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：
2ap9
2：2代表二極體，3代表三極體
a：用字母代表器件的材料，a代表p型ge，b代表p型ge，c代表n型si，d代表n型si
p：用字母代表器件的型別，p代表普通管
9：用數字代表同型別器件的不同型號
5、二極體的伏安特性
uth：死區電壓。uth = 0.5 v(矽管)0.1 v(鍺管)
正向特性：0uuth，id = 0；uuth，id急劇上公升。ud=矽管取0.7v，鍺管取0.3 v
反向特性：︱u(br)︱>︱u︱ >0，id=is；︱u ︱>︱u(br)︱，反向電流急劇增大（反向擊穿）
6、二極體常用等效模型（理想模型）
a.等效開關模型
特性曲線：
正偏導通，ud = 0（自：相當於導線）；反偏截止，id= 0，u(br) = （自：相當於開路）
b.二極體恆壓源等效模型（常用）
ud=ud(on)=0.7 v(si);0.3v(ge)
6、主要引數
（1）最大整流電流 iom：二極體長期使用時，允許流過二極體的最大正向平均電流。
（2）反向擊穿電壓vbr：二極體反向擊穿時的電壓值。
（3）反向電流 ir：指二極體加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。
反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。矽管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。
2.3特殊二極體
2.3.1穩壓二極體
符號：工作條件：反向擊穿（曲線越陡，電壓越穩定）
特點：1）工作於反向擊穿狀態。
2）利用反向伏安特性上電流在一定範圍內變化，穩壓管兩端的電壓基本不變的特點進行穩壓。
穩壓二極體的引數
1.穩定電壓uz：流過規定電流時穩壓管兩端的反向電壓值。
2.穩定電流iz：越大穩壓效果越好，小於 imin時不穩壓。
3.最大工作電流izm最大耗散功率 pzm：p zm=uzizm
4.動態電阻rz：
5.穩定電壓溫度係數ct（略）
2.3.2光電二極體
反向電流隨光照強度的增加而上公升。
符號：工作條件：反向偏置
2.3.3發光二極體led (light emitting diode)
符號：工作條件：正向偏置
一般工作電流幾十ma，導通電壓(12)v
2.4雙級型晶體三極體
2.4.1bjt的結構及型別
集電區：面積較大作用是收集載流子。（厚）
基區：較薄，摻雜濃度低作用是控制和傳遞載流子（薄，濃低）
發射區：摻雜濃度較高，作用是發射載流子（濃高）
集電結，發射結
npn型三極體，pnp型三極體
二、分類
按材料分：矽管、鍺管
按結構分：npn、pnp
按使用頻率分:低頻管、高頻管
按功率分：小功率管 < 500 mw；中功率管 0.51w；大功率管》1w
2.4.2bjt的電流放大作用
共基極，共集電極，共發射極（略p69）
1. 三極體放大的條件
內部條件：發射區摻雜濃度高，基區薄且摻雜濃度低，集電結面積大
外部條件：發射結正偏，集電結反偏（發射極出電流，集電極入電流）
2、電流放大原理（放大狀態）（看書p48）
發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流ie。
進入p區的電子少部分與基區的空穴復合，形成電流ib，多數擴散到集電結。
基區空穴向發射區的擴散可忽略。
從基區擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ic。
集電結反偏，有少子形成的反向電流icbo。（自：這裡可忽略）
ib=ibe-icboibe
ic=ice+icbo ice
ie=ic＋ib
ice 與 ibe 之比稱為直流電流放大倍數：
2.4.3bjt的特性曲線
(1) 輸入特性
，，與二極體特性相似
死區電壓：矽管0.5v，鍺管0.2v（自：出題可能會出現結果為零的情況）
工作壓降：矽管ube0.6~0.7v,鍺管ube0.2~0.3v。（自：按電壓降去處理）
（2）輸出特性
此區域滿足ic=ib稱為線性區（放大區）。當uce大於一定的數值時，ic只與ib有關，ic=ib。
第二章知識小結
1 自然界可分為 與 兩類 蝸牛是一種喜歡生活在陰暗潮濕的地方 它有但無 2 生物與非生物最根本的區別 生物可以 生物的基本特徵 1 生物體具有嚴整的2 生物體都有現象 3 生物體都有現象 4 生物體都有的能力 5 生物體都有 和 的特徵 6 生物體都有 對刺激產生一定的反應 7 生物體在一定程度上...
第二章數列知識小結
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必修2第二章知識小結
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