整理第1章半导体器件.docx

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整理第1章半导体器件

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、2PN结

1．2．1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。

1．2．2PN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。

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。

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，<4v时为齐纳击穿。

在4v与7v之间，两种击穿都有。

由于击穿破坏了PN结的单向导电性，因此一般使用时要避免。

 需要指出的是，发生击穿并不意味着PN结烧坏。

4．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。

5．半导体二极管

（1）二极管的结构和分类

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：

（2）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。

（3）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。

（4）稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其特性和普通二极管类似，但它的反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。

稳压二极管的主要参数为稳压值UZ和最大稳定电流IZM，稳压值UZ一般取反向击穿电压。

稳压二极管使用时一般需串联限流电阻，以确保工作电流不超过最大稳定电流IZM。

（5）二极管的应用

二极管的运用，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。

因此，在应用电路中，关键是判断二极管的导通或截止。

a.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。

限幅电路如图

（1）所示。

改变E值就可以改变限幅电平。

如输入电压波形图如图

（2）。

当E=0时限幅电平为0v。

ui>0时二极管导通，uo=0，ui<0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：

如图（3）所示

当0

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

当-UM

如图（5）所示

b.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.

c.其他二极管

发光二极管

发光二极管简称LED，它是一种将电能转换为光能的半导体器件，主要是由M-V族化合物半导体如砷化镓（GaAs）,磷化镓（GaP）制成。

光电二极管

光电二极管是将光能转换成电能的半导体器件。

光电耦合器件

光电耦合器件是由光电二极管和发光二极管组合起来的。

变容二极管

变容二极管是利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化特性制成的。

§1、3半导体三极管

1.3.1三极管的结构和分类

通俗来讲，三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。

不管是什么样的三极管，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。

三极管的三种连接方式

1.3.2三极管的放大作用

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，必须满足以下条件：

1。

发射区中进行重掺杂；2。

基区做得很薄；3。

集电极面积大。

1．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。

此外，因为集电结反向偏置，所以集电区中的空穴和基区中的电子（均为少数载流子）在结电场作用下做漂移运动。

上述载流子的传输过程如图（3）所示。

2．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。

3．三极管的特性曲线

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UCE>1,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。

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：

ICBO为μA（10-6）数量级，

硅管：

ICBO为nA（10-9）数量级。

（b）集电极发射极间的穿透电流ICEO

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+ß）ICBO

（1）规划实施后实际产生的环境影响与环境影响评价文件预测可能产生的环境影响之间的比较分析和评估；（3）.极限参数

（2）环境影响后评价。

（a）集电极最大允许电流ICM

Ic增加时，β要下降。

当β值下降到线性放大区β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。

（1）建设项目概况。

（b）集电极最大允许功率损耗PCM

1）规划实施可能对相关区域、流域、海域生态系统产生的整体影响。

集电极电流通过集电结时所产生的功耗，

（1）前期准备工作。

包括明确评价对象和评价范围，组建评价组，收集国内外相关法律、法规、规章、标准、规范，收集并分析评价对象的基础资料、相关事故案例，对类比工程进行实地调查等内容。

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

1.规划环境影响评价的技术依据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。

[例题-2006年真题]下列关于建设项目环境影响评价实行分类管理的表述，正确的是（　）