半导体基础(一)

一: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。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。
  在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流； 同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。    因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。

二：杂质半导体

在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。 1.N型半导体 在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。
 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 2.P型半导体 在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。 三：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。
四：PN结的单向导电性 我们在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。 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：I_D为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压， U_T=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U_T=26mv，I_S为反向饱和电流。这个公式我们要掌握好！ 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：I_D=-I_S

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。

五：三极管的结构及类型 通过工艺的方法,把两个二极管背靠背的连接起来级组成了三极管。按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，它们的结构示意图和符号图分别为：如图（1）、（2）所示

不管是什麽样的三极管，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。 六：三极管的放大作用（这一问题是重点） 我们知道，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，必须做到一下几点： 发射区中掺杂
基区必须很薄
基电结的面积应很大
工作时：发射结应正向偏置，集电结应反向偏置 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。
我们再用图形来说明一下，如图（3）所示： 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：I_CEO为发射结少数载流子形成的反向饱和电流；I_CBO为I_B=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。 六：三极管的特性曲线 它的特性曲线与它的接法有关，在学习之前，我们先来学习一下它的三种不同接法。

（1）共基极，如图（1）所示
（2）共发射极  如图（2）所示
（3）共集电极  如图（3）所示

我们以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U_CE对输入特性有影响，
且U_CE>1,时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用U_CE=0和U_CE>=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：I_B<=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，U_CE=0.3V
(3)放大区:此时I_C=ßI_B，I_C基本不随U_CE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。 七：三级管主要参数 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（它们是有少数载流子形成的） （1）：基电极--基极的反向饱和电流。
（2）I_CEO：穿透电流，它与I_CBO关系为：I_CEO=（1+ß）I_CBO 八：参数与温度的关系 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。