1.1 半导体基础知识

1.1.1 本征半导体

自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。
有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。

半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。

通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。

硅和锗的晶体结构

在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。

硅和锗的共价键结构

形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。
共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

本征半导体的导电机理

在绝对0度（T=0K，相当于 第一章半导体器件 - 图5 ）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。

在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。

本征半导体的载流子浓度

半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动中与空穴相遇就会填补空穴，使二者同时消失，这种现象称为复合。
一定温度下，本征激发产生的自由电子和空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等（两种载流子的浓度相等），达到动态平衡。
理论分析表明：

第一章半导体器件 - 图8
第一章半导体器件 - 图9 和第一章半导体器件 - 图10 表示自由电子和空穴的浓度（ 第一章半导体器件 - 图11 ）

注意：

本征半导体的导电性很差，且与环境密切相关。本征半导体的这种对温度的敏感性，既可用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。

1.1.2 杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。

N型半导体

在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。
N型半导体中的载流子是什么？
- 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。
- 2、本征激发成对产生的电子和空穴。
- 3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

P型半导体

在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。
P型半导体中的载流子是什么？
- 1、由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同。
- 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
- 3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。

总结

1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。
2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
- 在杂质半导体中，多数载流子（多子）的浓度主要取决于掺入的杂质浓度，而少数载流子的浓度主要取决于温度的影响。

杂质半导体的示意表示法

1.1.3 PN结及其单向导电性

一、 PN 结的形成

在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。

PN结处载流子的运动

所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。

空间电荷区内正负电荷相等，因此，当P区和N区杂质浓度相等时，正离子区和负离子区宽度相等，称为对称结
当P区和N区杂质浓度不同时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不对称PN结。
绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴数目都非常少，在分析PN结特性时常忽略载流子的作用，只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，故称空间电荷区为耗尽层。

注意

1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。
3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。

二、PN结的单向导电性
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。
(1)PN结正向偏置

内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。
低电阻
大的正向扩散电流

(2)PN结反向偏置

内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流.
高电阻
很小的反向漂移电流

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结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
(3)PN结V- I 特性表达式
- 其中——反向饱和电流, ——温度的电压当量,且在常温下（T=300K）

1.2 二极管

1.2.1二极管的结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。

(1) 点接触型二极管
- PN结面积小，结电容小，用于高频电路和小功率整流。
(2) 面接触型二极管
- PN结面积大，结电容大，一般为仅作为整流管。
(3) 平面型二极管
- 采用扩散法制成，往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。
(4) 二极管的代表符号
半导体二极管图片
- 1.2.2二极管的伏安特性
  一、与PN结伏安特性类似
正偏：体电阻、外引线——同样电压，I偏小
反偏：表面漏电流——数值增大
二极管的伏安特性表达式可用PN结伏安特性表达式表示：
二极管的等效电路
- 伏安特性折线化
- 图a所示的折线画伏安特性表明，二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零，称为理想二极管，相当于理想开关用空心的二极管符号来表示。
- 图b所示的折线法伏安特性表明，二极管导通时正向压降为一个常量，截止时反向电流为零，因而，等效电路是理想二极管串联电源电压源。
- 图c所示的折线化伏安特性表明，当二极管正向电压大于后，其电流I与U呈线性关系，直线斜率为一斜杠极管只是反向电流为零，因此，等效电路是理想二极管串联电压源和电阻，且
二极管的微变等效电路
- - 分析直流——
  - 二、温度对二极管伏安特性的影响
温度升高，正向特性左移，反向特性下移。
室温附近，温度每升高1℃，正向压降减少2—2.5mV。
室温附近，温度每升高10℃，反向电流增大一倍。

1.2.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流
(2) 反向击穿电压和最大反向工作电压
(3) 反向电流
(4) 最高工作频率
主要参数说明
- (1) 最大整流电流:二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。
- (2) 反向击穿电压和最大反向工作电压:二极管反向击穿时的电压值为。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。最高反向工作电压一般是的一半。
- (3) 反向电流:指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流，此时二极管未被击穿。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。
- (4) 最高工作频率:超过此值时，由于结电容的作用，二极管不能很好地体现单向导电性。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等。下面介绍两个交流参数。

1.2.4 稳压二极管

1. 符号及稳压特性

利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。

2. 稳压二极管主要参数
(1) 稳定电压:在规定的稳压管反向工作电流下，所对应的反向工作电压。
(2) 动态电阻:
(3)最大耗散功率
(4)最大稳定工作电流和最小稳定工作电流
(5)稳定电压温度系数——

正常稳压时: 第一章半导体器件 - 图76 , 第一章半导体器件 - 图77

发光二极管（LED）

可见光，不可见光，激光

光电二极管

远红外线接收管

变容二极管

电子调谐，频率的自动控制，调频调幅，调相和波率

隧道二极管

震荡，过载保护，脉冲数字电路

肖特基二极管 微波混频，检测，集成化数字电路

1.3 双极型晶体管（BJT)

结构特点：

发射区的掺杂浓度最高；
集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；
基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。

1.3.1 结构和类型

1.3.2 晶体管的电流控制作用

放大是对模拟信号最基本的处理。
晶体管是放大电路的核心元件。

晶体管内部载流子的运动

QQ图片20220222153617.jpg

要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。

共射直流电流放大系数
共射交流电流放大系数
共基直流电流放大系数
共基交流电流放大系数
为共射直流电流放大倍数。 为穿透电流。物理意义是，当基极开路（ IB=0）时，在集电极电源VCC作用下集电极和发射极之间形成的电流。 为发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

若有输入交流电压信号作用，则晶体管的基极电流在IB基础上叠加动态电流，集电极电流在基础上叠加动态电流，与之比为交流放大系数β。
若以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流，则定义与之比为共基直流电流放大系数。
共基交流电流放大系数：

例：分别判断图中所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。 例：已知两只晶体管的电流放大系数β分别为50和100，现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子。

1.3.3 晶体管的共射特性曲线

是发射结压降
是管压降
（1）输入特性

（2）输出特性

1.3.4晶体管的主要参数

电流放大倍数
1. 前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。
2. 共射直流电流放大倍数：
4. 工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为，相应的集电极电流变化为，则交流电流放大倍数为：
集-基极反向饱和电流
集-射极穿透电流
3. 而受温度影响很大，当温度上升时，增加很快，所以也相应增加。三极管的温度特性较差。**选管子时，、应尽量小。**硅管的和比锗管小，所以温度稳定性好。
集电极最大电流
1. 集电极电流在一定范围内不变，但大到一定数值会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为。
集-射极反向击穿电压
1. 晶体管的某一电极开路时，另两个电极间所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压，超过此值的管子会发生击穿现象。
2. 当集—-射极之间的电压超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25°C、基极开路时的击穿电压。
集电极最大允许功耗
1. 集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：
2. 必定导致结温上升，所以有限制。