第一章 常用半导体器件 内容提要：本章主要讲述了半导体基础知识 .DOC

第一章 常用半导体器件 内容提要：本章主要讲述了半导体基础知识，PN结的特性，二极管、晶体三极管、场效应管的构成及特性曲线和主要参数等，同时介绍了单结管、晶闸管、集成电路中的元件等基础知识。 重点：二极管和稳压管的伏安特性及主要参数，晶体管的共射输入特性、输出特性和主要参数，以及场效应管的转移特性、输出特性和主要参数；即常用半导体器件的外特性及主要参数。了解它们内部载流子的运动情况是为了更好地理解它们的工作原理。 难点：常用半导体器件的内部载流子的运动情况分析及工作原理。 讲授方法：采用多媒体课件配合，以课件演示半导体器件内部载流子的运动情况，同时采用启发式教学，激发学生学习的积极性。 第一节：半导体基础知识 1. 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 导 体：ρ10－4Ω·cm 绝缘体：ρ109Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 2. 半导体的晶体结构 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。 半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。 图1.1.1 本征半导体结构示意图 图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴 3.本征半导体 本征半导体：化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。 本征激发(热激发）：受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）。 空穴：共价键中的空位。 电子空穴对：由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。所以，在本征半导体中： ni=pi （ni－自由电子的浓度；pi－空穴的浓度）。 （1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的值一定； （2）ni与pi 的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni 或pi 增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12 oC，ni 或pi 增加一倍。 载流子：能够参与导电的带电粒子。 半导体中载流子的移动：如图1.1.3所示。从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，在半导体中具有两种载流子：自由电子和空穴。 图1.1.3 半导体中载流子的运动 4.杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。 P型半导体：在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。 图1.1.4 P型半导体的共价键结构 受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。 多子与少子：P型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子；而自由电子为少数载流子，简称少子。 N型半导体: 在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5所示。常用的五价元素的杂质有磷、砷和锑等。 图1.1.5 N型半导体的共价键结构 施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。 在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。 综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。 5. PN结 (1)PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成PN结。物理过程示意图见课件图1.1.6所示。 PN结的单向导电性 (2)正偏与反偏：当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 PN结加正向电压: PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流， PN结导通。其示意图见课件 图1.1.7所示。