6.1 半导体基础知识

 

6.1.1 本征半导体

完全纯净的、结构完整的半导体称为本征半导体。

常用的半导体材料有硅和锗，它们都是四价元素，原子最外层轨道有四个价电子。

 若将纯净的半导体制成晶体，则原子形成排列整齐的点阵。

点阵是由共价键提供的结合力实现的，共价键的结合力很强，可以将大部分电子固定在点阵中；

但即使是在常温下，也会有少数电子由于热运动获得足够的能量，摆脱了共价键的束缚，成为自由电子；

于是点阵中就会留下空位，也就是原来共价键存在的地方，称之为空穴，带正电荷。

 若此时对半导体施加电场，自由电子就会定向移动，形成电子电流；

同时，价电子会按一定方向依次填补空穴，可视为空穴定向移动，形成空穴电流。

之后我们将提到的载流子就是这里定向移动的粒子，一种是带负电的自由电子，另一种则是带正电的空穴。

在半导体内，自由电子和空穴都是成对产生，其浓度相等。

以上过程可以概括成一句话：价电子获得能量成为自由电子，产生电子 - 空穴对

 在这个过程中，也会有复合现象，就是自由电子在运动过程中与空穴相遇，使电子 - 空穴对消失。

在一定温度下，载流子的产生和复合过程平衡，使得载流子的浓度维持不变。

6.1.2 杂质半导体

本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力很弱；

通过扩散工艺，人为地掺入少量的特定杂质，其导电性能将产生质的变化；

掺入杂质的半导体称为杂质半导体。

N型半导体

本征半导体中掺入5价元素，多出的电子无共价键约束，只有自身原子核约束，得到少量能量就可成为自由电子。这样的杂质半导体中，自由电子的浓度远远大于空穴浓度。

这样的半导体，导电主要靠自由电子，称为N型半导体。

在N型半导体中，自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。

 P型半导体

本征半导体中掺入3价元素，与周围的4价原子组成共价键时，缺少电子的地方形成一个空穴。其他共价键的电子只需较小的能量就可以摆脱束缚移到此空穴，从而形成新的空穴。在这样的杂质半导体中，空穴浓度远远大于自由电子的浓度。

这样的半导体，导电主要靠空穴，称为P型半导体。

在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

6.2  PN结及半导体二极管

在一块本征半导体上，用人工使一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，两种半导体的交界处形成一个 P - N 结。

P-N结是所有半导体器件的基础。

6.2.1 异形半导体的接触现象

在两种半导体的交界面两侧，电子和空穴的浓度相差悬殊，就会产生扩散运动，P区的空穴向N区移动，N区的自由电子向P区移动，这样就形成了方向为从P到N的电流；

 扩散运动使交界处形成电场（称为自建场），在这个电场的作用下，少数载流子做漂移运动，其运动方向与扩散运动方向相反，阻止扩散运动。

扩散越多，自建场越强，漂移运动越强，对扩散的阻力越大；

当两种运动作用相等时达到平衡，此时通过界面的净载流子数为0；

交界处形成一个缺少载流子的高阻区，称为阻挡层（或耗尽层）。

 6.2.2 PN结的单向导电特性

1. PN结外加正向电压

将电源的正极接P区，负极接N区，称为正向接法或正向偏置，简称正偏。

PN结正偏时，外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相反，削弱了自建场，使阻挡层变窄；

此时扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成电流，方向由电源的正极通过P区、N区，到电源的负极。

 2. PN结外加反向电压

电源正极接N区，负极接P区，称为反向接法或反向偏置，简称反偏。

 PN结反偏时，外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同，增强了自建场，使阻挡层变宽；

此时漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下做漂移运动，形成漂移电流，称为反向电流，反向电流很小。

反向电压超过零点几伏时，反向电流就几乎不再随反向电压的增加而增加了，此时反向电流称为反向饱和电流。

 PN结的单向导电特性：

• 正偏：有较大的正向电流，PN结呈现较小的正向电阻；
• 反偏：反向电流较小，PN结呈现很大的反向电阻。

3. PN结的电流方程

PN结的伏安特性曲线：

 反向电压超过一定数值时，反向电流会突然急剧增加，称为反向击穿；

限制反向击穿电流，PN结即可恢复正常；

稳压二极管工作在反向击穿区，流过PN结的反向击穿电流变化时，反向击穿电压基本不变。

5. PN结的电容效应

势垒电容：PN结外加反向电压变化时，耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb；

扩散电容：PN结外加正向电压时，电容效应称为扩散电容Cd。

6.2.3 半导体二极管

将PN结用外壳封装起来，加上电极引线，就构成半导体二极管。

P区引出的电极为阳极，N区引出的电极为阴极。

 1. 二极管的结构

二极管按材料可分为硅二极管和锗二极管。

按结构和工艺分，可分为点接触型、面接触型和平面型。

 2. 二极管的伏安特性

二极管的伏安特性与PN结的伏安特性相似；

有点不一样是因为，二极管有半导体体电阻和引线电阻，当正向电压大于某一值时，正向电流才从零随电压按指数规律增大。使得二极管开始导通的临界电压称为开启电压Uon。

 3. 特殊二极管

稳压二极管

• 工作在PN结的反向击穿区，电源正极接N，负极接P；
• 二极管电流大范围变化，但电压变化很小；
• 稳压管必须与负载并联，且在稳压电路中必须有限流措施。

 

变容二极管

利用PN结的电容效应制造的。

光电二极管

利用对光敏感的半导体制成，光照强度的变化会引起反向电流的变化，反向电流的大小表明了外界光的强弱。

发光二极管

某些材料有电流流过时会发出不同波长的光。

6.2.4 半导体二极管的应用

1. 单相半波整流

正偏时导通，忽略正偏电压，相当于开关闭合；再进一步，可把二极管去掉；

反偏时截止，电流近似为零，相当于开关断开。

6.3 半导体晶体管

双极型晶体管又称为半导体三极管或晶体管，简称晶体管，有三个电极。

 6.3.1 晶体管的结构及类型

采用不同的掺杂方式，在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，形成两个PN结，构成晶体管。

 6.3.2 晶体管的放大作用

晶体管中，发射区重掺杂（自由电子较多），基区低掺杂且很薄，集电区面积很大（利于收集载流子）。

发射结正向偏置，集电结反向偏置。

1. 载流子传输过程

 2. 电流分配

 

 重点掌握参数α和β即可。

6.3.3 晶体管的特性曲线

晶体管外部极间电压与电流的相互关系称为晶体管的特性曲线。

主要掌握NPN晶体管共发射极的输入特性和输出特性。

1. 输入特性

 

 2. 输出特性

 

 输入特性和输出特性也是重点！

题型1：给定三极电位，判断是硅管还是锗管，是NPN型还是PNP型

判断硅管/锗管：硅管的结电压降一般为0.6~0.8V，锗管的结电压降一般为0.1~0.3V，看给出的三个电位里，相近的两个的差值即可；

判断NPN/PNP：对于NPN型晶体管，基极电位高于发射极电位，而集电极电位高于基极电位。对于PNP型晶体管，发射极电位高于基极电位，基极电位高于集电极电位。