第1章常用半导体器件PrelectEdition课件.ppt

第1章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管及其基本电路 1.3 双极型晶体管 半导体器件，如晶体二极管、晶体三极管、MOS管以及集成电路等，是现在构成电子电路的基本元器件。本章首先介绍半导体中的载流子和PN结，然后介绍半导体二极管、双极型三极管等半导体器件的原理、特性及主要参数，并分析讨论由这些器件组成的几种简单电路。讲这些的目的是为了分析讨论由这些器件组成的电路。 1.1 半导体基础知识 电流是由带电粒子按一定方向移动形成的。物体的导电性能取决于该物体内是否存在可自由移动的带电粒子及其多寡。在常态下许多金属（如银、铜、铝等）中存在较多的能够自由移动的、带负电的自由电子，是电的良导体；而稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）和金刚石等的最外层电子，或受原子核的束缚力很强，或受共价键的束缚力很强，很难成为自由电子，是绝缘体。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为IV A族元素，其原子结构如图1.1.1所示。 1.1.1 本征半导体 将纯净的半导体制成单晶体，如将高纯硅（质量分数可达99.999 999 999%）拉制成单晶硅，即为本征半导体。晶体中的原子形成排列整齐的点阵，称为晶格。晶格中原子之间的距离非常近，每一个原子的最外层的四个电子，不仅受到自身所属原子核的吸引，围绕自身所属原子核运动，还受到相邻原子核的吸引出现在相邻原子最外层电子所属轨道上，为相邻的原子核共用，即与其相邻的四个原子的最外层电子组成共价键，成为稳定结构，如 图1.1.2所示。 晶体中的共价键具有很强的结合力。在绝对零度（即摄氏-273.16度），价电子没有能力脱离共价键的束缚，晶体中没有能自由移动的带电粒子，半导体不能导电。但是半导体的禁带宽度较窄，在常温下，有极少数的价电子因热激发获得足够的能量脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位置，称为空穴，如图1.1.3所示。每个电子带一个负电荷，晶格中的原子因失去一个电子带正电，即每个空穴带一个正电荷。 电子—空穴对 电子电流 空穴电流 载流子 本征半导体在热激发下产生电子空穴对的现象称为本征激发。在电子空穴对产生的同时，自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，两者一起消失，这种现象称为复合。电子空穴对的产生和复合都在不停的发生，在一定的温度下，本征激发产生的电子空穴对与复合的电子空穴对数目相等，达到动态平衡。即在一定温度下，本征半导体中的载流子浓度是一定的。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也相应增多；电子空穴对的增多也增加了电子空穴对复合的机会，最终在升高的载流子浓度下达到新的动态平衡，导电能力提高。 同理，当温度降低时，载流子的浓度降低，导电能力下降。因此，本征半导体的载流子浓度受温度的影响，是温度的函数。本征半导体载流子的浓度为 (1.1.1) 式(1.1.1)表明，当T=0K时，自由电子与空穴的浓度均为0，本征半导体成为绝缘体；当温度升高时，本征半导体载流子的浓度超线性升高。这就是半导体材料的热敏性。它既是造成半导体器件温度稳定性差的原因，又可加以利用制作热敏器件。另外，半导体载流子浓度还受辐射影响，可作为光敏材料。 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。本征半导体中的载流子是由于热激发产生的，数量很少，因此其导电能力很弱。掺入杂质元素，会使其导电性能发生显著变化。控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。电子浓度高于空穴浓度的称为N(Negative)型半导体，空穴浓度高于电子浓度的称为P(Positive)型半导体。 一、N型半导体 在本征硅(或锗)中掺入VA族元素（如磷P、砷As、锑Sb等），则晶格结构中某些位置由杂质原子占据。由于VA族元素原子的最外层有5个价电子，所以除了与四周硅原子形成共价键外，杂质原子还多出一个电子。这个电子不受共价键的束缚，杂质原子对这个价电子的束缚力也较弱，在常温下，由于热激发，成为自由电子，而杂质原子则缺失了一个电子，又因其在晶格上，成为不能移动的正离子。但整个N型半导体是电中性的。如图1.1.4所示。 由于掺入晶体的杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能就越强。N型半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度，因此称自由电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。 在N型半导体中，由于自由电子的浓度增加，于是增加了电子与空穴复合的机会，因此在同一温度下本征激发产生的空穴的浓度降低。J.米尔曼证明了半导体中两种载流子的浓度的乘积