1第一章半導(dǎo)體器件本章是本課程的基礎(chǔ)，應(yīng)著重掌握以下要點：（1）半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。（2）PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦裕?）三極管的結(jié)構(gòu)、類型及其電流放大原理（4）三極管的特性及其主要參數(shù)本章內(nèi)容：§

1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識§

1.2PN結(jié)§

1.3半導(dǎo)體二極管§

1.4半導(dǎo)體三極管21.1.1本征半導(dǎo)體

1）導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。電阻率小于10-6歐姆米絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。電阻率大于108歐姆米

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。§1.1半導(dǎo)體的基本知識3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：

當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。

往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs以及一些硫化物、氧化物等。4

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。2）本征半導(dǎo)體硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核價電子(束縛電子)現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。5

(1）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：6硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子7共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+48

（2）電子空穴對

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有些獲得足夠的能量的價電子可以掙脫原子核的束縛，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。9+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子

可見：因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。10

游離的部分自由電子在運動中也可能回到空穴中去。自由電子和空穴相遇重新結(jié)合成對消失的過程，稱為復(fù)合。

這一現(xiàn)象稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。本征激發(fā)和復(fù)合的過程11本征半導(dǎo)體中電子或空穴濃度ni__電子（空穴）濃度；B__半導(dǎo)體有關(guān)常數(shù)；T－為絕對工作溫度k

－為波耳次曼常數(shù)（1.381×10-23J/K）=8.6×10-5eV/KEg

－禁帶寬度

材料Eg（eV）B（cm-3K-3/2）Si1.15.23X1015Ge0.661.66X1015GaAs1.42.10X10141eV=1.6X10-19J；溫度ni（Si）ni（Ge）ni（GaAs）300K1.5X1010cm-32.4X1013cm-31.8X106cm-3400K4.76X1012cm-39.06X1014cm-32.44X109cm-3

12(3)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。13溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動產(chǎn)生的電流。

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。

空穴的運動=相鄰共價鍵中的價電子反向依次填補空穴位來實現(xiàn)的14本征激發(fā)：在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位（空穴）的過程。復(fù)合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。兩種載流子電子（自由電子）空穴兩種載流子的運動自由電子（在共價鍵以外）的運動空穴（在共價鍵以內(nèi)）的運動結(jié)論:1.本征半導(dǎo)體的電子空穴成對出現(xiàn),且數(shù)量少；

2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，與溫度有關(guān)。常溫下，電子-空穴對濃度僅為三萬億分子一?？偨Y(jié)15半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力（）與導(dǎo)體相同與絕緣體相同介乎導(dǎo)體和絕緣體之間ABC提交可為此題添加文本、圖片、公式等解析，且需將內(nèi)容全部放在本區(qū)域內(nèi)。正常使用需3.0以上版本根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。電阻率小于10-6歐姆米絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。電阻率大于108歐姆米半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs以及一些硫化物、氧化物等。答案解析答案解析單選題2分16當(dāng)溫度升高時，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將（）ABCD提交增強減弱不變不確定可為此題添加文本、圖片、公式等解析，且需將內(nèi)容全部放在本區(qū)域內(nèi)。正常使用需3.0以上版本半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。答案解析答案解析單選題2分171.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體1）本征半導(dǎo)體缺點？(1)電子濃度=空穴濃度；(2)載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體2）雜質(zhì)半導(dǎo)體18

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，即可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易被激發(fā)而成為自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。19N型半導(dǎo)體+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子數(shù)>

空穴數(shù)電子為多數(shù)載流子(多子)空穴為少數(shù)載流子(少子)載流子數(shù)=電子數(shù)+空穴數(shù)

電子數(shù)施主離子施主原子由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。20(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。21+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴數(shù)>

電子數(shù)空穴—

多子電子—

少子載流子數(shù)

空穴數(shù)受主離子受主原子P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。223）雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體234）雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用IIPINI=IP+INN型半導(dǎo)體I

INP型半導(dǎo)體

I

IP245）雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm325漂移運動：兩種載流子（電子和空穴）在電場的作用下產(chǎn)生的定向運動。兩種載流子運動產(chǎn)生的電流方向一致。1.1.3半導(dǎo)體載流子的運動。電流I。..空穴

。?電子電場作用下的漂移運動26擴散運動：由于載流子濃度的差異，而形成的載流子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散，產(chǎn)生擴散運動?？昭〝U散示意27N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子，因此該半導(dǎo)體應(yīng)（）帶負(fù)電帶正電不帶電ABC提交可為此題添加文本、圖片、公式等解析，且需將內(nèi)容全部放在本區(qū)域內(nèi)。正常使用需3.0以上版本在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子由熱激發(fā)形成的自由電子和空穴成對出現(xiàn)；由雜質(zhì)形成的自由電子與正離子成對出現(xiàn)N型半導(dǎo)體本身呈電中性答案解析答案解析單選題2分28以下關(guān)于本征半導(dǎo)體描述正確的是電子空穴成對出現(xiàn),且數(shù)量少有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電導(dǎo)電能力弱，與溫度有關(guān)在本征半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)和復(fù)合達到動態(tài)平衡ABCD提交多選題2分291.2.1PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:§1.2PN結(jié)30一．多數(shù)載流子的擴散

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機地結(jié)合在一起時，因為P區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會向N區(qū)擴散，并在N區(qū)被電子復(fù)合。而N區(qū)中的電子也會向P區(qū)擴散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。隨著擴散運動的不斷進行，界面兩側(cè)顯露出的正、負(fù)離子逐漸增多，空間電荷區(qū)展寬，使內(nèi)電場不斷增強，于是漂移運動隨之增強。二．少數(shù)載流子的漂移在內(nèi)電場的作用下，P區(qū)中的少子自由電子向N區(qū)漂移，而N區(qū)中的少子空穴向P區(qū)飄移，使內(nèi)電場削弱。31三．?dāng)U散與漂移的動態(tài)平衡當(dāng)內(nèi)電場達到一定值時，多子的擴散運動與少子的漂移運動達到動態(tài)平衡時，這時，雖然擴散和漂移仍在不斷進行，但通過界面的凈載流子數(shù)為零?？臻g電荷區(qū)不再變化，這個空間電荷區(qū)，就稱為PN結(jié)?？臻g電荷區(qū)無載流子停留，故曰耗盡層，又叫阻擋層或勢壘層。無外電場作用時，PN結(jié)內(nèi)部雖有載流子運動，但無定向電流形成。實際中，如果P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)相對界面對稱，稱為對稱結(jié)。如果一邊摻雜濃度大(重?fù)诫s)，一邊摻雜濃度小(輕摻雜)，則稱為不對稱結(jié)。用P+N或PN+表示(+號表示重?fù)诫s區(qū))。這時耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。32PN結(jié)的形成過程

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴散運動

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

33對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡,形成PN結(jié)。擴散電流=漂移電流總電流=0

P

N+---------++++++++由于接觸面載流子運動形成PN結(jié)示意圖內(nèi)電場-

+擴散運動漂移運動34實質(zhì)上：PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場=電阻

空間電荷區(qū)特點:無載流子阻止多子的擴散進行利于少子的漂移

P

N+---------++++++++351.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結(jié)中：

P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。36P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流IF。IF=I多子

I少子

I多子（1）外加正向電壓(正向偏置)—forwardbias

PN結(jié)外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。37(2)外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子

0

PN結(jié)外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。38

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)變窄P

N+-R

外加正向電壓示意(導(dǎo)電）PN結(jié)變寬P

N-+R

外加反向電壓示意（截止）正向電流If反向電流Is39

(3)PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，具有很小的反向漂移電流，電流近似為零。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?0選擇括號中的答案填空（只填a、b、c、…）。當(dāng)ＰＮ結(jié)外加正向電壓時，擴散電流[填空1]漂移電流，耗盡層[填空2]，電阻[填空3]，電流較[填空4]。當(dāng)ＰＮ結(jié)外加反向電壓時，擴散電流[填空5]漂移電流，耗盡層[填空6]，電阻

[填空7]

，電流較

[填空8]

。a.大于，b.小于，c.等于，d.變窄，e.不變，f.變寬，g.大，h.小作答正常使用填空題需3.0以上版本雨課堂填空題8分41ID__流過PN結(jié)的電流；IS__反向飽和電流；u－為結(jié)電壓

UT－溫度的電壓當(dāng)量，k

－為波耳次曼常數(shù)（1.381*10-23J/k）T－為絕對工作溫度q－為電子電荷量1.6?10-19C1.2.3PN結(jié)的伏安(V-A)特性1）、表達式：當(dāng)T=300(27

C)：UT

=26mV42I（mA)正向電流IDU（V）正向反向0.6反向擊穿電壓UBR正向?qū)妷篣D0反向電流IRPN結(jié)V-A特性曲線2）、V-A特性曲線加正向電壓時加反向電壓時i≈–IS43

當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓UB時，反向電流將急劇增大，而PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。1.2.4PN結(jié)的擊穿特性U<

U（BR）反向電流急劇增大(反向擊穿)1）反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿—PN結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。—PN結(jié)燒毀。I（mA)正向電流IDU（V）正向反向0.6反向擊穿電壓UBR正向?qū)妷篣D0反向電流IRPN結(jié)V-A特性曲線442）反向擊穿原因：雪崩擊穿:反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。(擊穿電壓

>6V,正溫度系數(shù))擊穿電壓在

6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓足夠高時（U>6V）PN結(jié)中內(nèi)電場較強，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場IR45齊納擊穿：（Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(擊穿電壓

<6V,負(fù)溫度系數(shù))齊納擊穿：對摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U<6V），耗盡層可獲得很大的場強，足以將價電子從共價鍵中拉出來，而獲得更多的電子空穴對，使反向電流驟增。P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場IR461.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

按電容的定義:即電壓變化將引起電荷變化,從而反映出電容效應(yīng)。而ＰＮ結(jié)兩端加上電壓,ＰＮ結(jié)內(nèi)就有電荷的變化,說明ＰＮ結(jié)具有電容效應(yīng)。PN結(jié)具有的電容效應(yīng)，由兩方面的因素決定。