常用半导体器件

一、基础知识回顾
二、半导体基础知识
三、半导体二极管

从本节开始，将回顾并总结大学期间学习过的模拟电子技术相关内容，参考书籍《模拟电子技术基础》第五版童诗白、华成英。

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一、基础知识回顾

1.1 电流

1.1.1 定义

通常用单位时间内通过导体横截面的电荷量的多少来表示电流的强弱，即电流强度，简称电流。

若用Δq表示在Δt时间内通过导体横截面的电量，则电流的大小可以表示为： $i=\frac{Δq}{Δt}$ 。

如果电流的大小和方向都不随时间变化，则称之为恒定电流。这时电流的大小可表示为： $I=\frac{q}{t}$ 。

在国际单位制中，时间的单位是s（秒），电量的单位是C（库［仑］），电流的单位是A（安［培］）。

1.1.2 参考方向

电流不仅有大小，而且还有方向。在电工学中，一般规定正电荷移动的方向为电流的参考方向。

电流的方向是高电位流向低电位，电源的正极流向负极，不确定的情况下可以假设电流方向；

如果电流值是负值就说明实际的电流方向跟假设的方向相反；
如果电流为正值就说明实际方向与假设方向是相同的；

在金属导体中，由于移动的是自由电子，因而其运动方向与电流的方向相反。

1.2 电压

1.2.1 定义

电压又称为电位差，是衡量电场力做功能力强弱的一个物理量。

若电场力把正电荷q从A点移动到B点，所做的功为 $W_{AB}$ ，则功与电荷q的比值就称做AB两点间的电压： $U_{AB}=\frac{W_{AB}}{q}$

在国际单位制中，功的单位是J（焦［耳］），电量的单位是C（库［仑］），电压的单位是V（伏［特］）。若电场力将1C的电荷从A点移到B点所做的功是1J，则AB两点间的电压就是1V。

1.2.2 电位

若以B为参考点，电场力将正电荷q从任意点A移到参考点B所做的功 $W_A$ 跟电荷量q的比值，称做A点对参考点B的电位，记作： $V_A=\frac{W_A}{q}$

电位的单位也是V（伏［特］）。电路中任意两点的电位差就是这两点间的电压，即： $U_{AB}=U_A-U_B$ 。

电位是表示电路中某一点电势高低的物理量，而且是相对于参考点来说的，通常规定参考点的电位为零电位。参考点的选择，原则上是任意的，但在实际研究问题时，一般选择无穷远处或大地为零电位参考点。

需要注意的是，在同一个电路中，当选定不同的参考点时，同一点的电位是不同的。但是参考点一经确定，各点的电位也就是确定的；

当电位为正值时，说明其电位高于参考点电位；
当电位为负值时，说明其电位低于参考点的电位。

1.2.3 与电位区别

联系：单位都是V，电压等于电位差。

区别：电位是相对的，它的大小与参考点有关；电压是绝对量，它的大小与参考点无关。

1.3 电动势

1.3.1 定义

在电源内，非电场力将单位正电荷从电源的负极经电源内部移到电源的正极所做的功，称为电动势。对直流电动势，表示为： $E=\frac{W}{q}$ 。

电动势的单位也是V。

1.3.2 参考方向

电动势也是有方向的，一般规定为电动势在电源内部由电源负极指向正极。

1.3.3 与电压区别

对于一个电源来说，既存在电动势，又存在端电压。电动势只存在于电源内部，端电压存在于电源加在外电路的两端，由电源正极指向负极。当外电路开路时，端电压在数值上与电动势相等。

电动势与电压是两个不同的概念，但是都可以用来表示电源正负极之间的电位差。

在下图所示电路中，E和 $U_{AB}$ 的参考方向刚好相反；

总结一下电压与电动势的区别：

含义不同：电动势是衡量电源做功能力大小的物理量，而电压是衡量电场力做功能力大小的物理量；
存在的位置不同：电动势只存在电源内部，电压不仅存在于电源的内部也存在电源的外部；
方向不同：电动势的方向是由负极到正极，而电压的方向是正极到负极。

1.4 电功率

图中点电荷在电场中运动电路的功能之一就是传输电能，分析电路时经常用到有关电功率的计算。

电功率的计算公式： $P=\frac{W}{t}=\frac{qU_{AB}}{t}=U_{AB}I$ .

在国际单位制中，电压的单位是V；电流的单位是A；电功率的单位是W（瓦［特］，简称瓦）。

为了方便判别，引入关联和非关联参考方向。

选择元件两端电压U与流过元件电流I的参考方向一致，称为关联参考方向；

选择元件两端电压U与流过元件电流I的参考方向相反，称为非关联参考方向；

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二、半导体基础知识

2.1 教学目标

2.1.1 知识目标

了解半导体的分类；
掌握P型、N型半导体的性质；
重点掌握PN结的性质；

2.1.2 能力目标

会检测PN结的性质；

2.2 本征半导体

2.2.1 半导体

根据物质导电能力（电阻率）的不同，我们将物质分为导体、绝缘体和半导体。

物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚称为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均是四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘子那么被原子核束缚的那么紧。

2.2.2 本征半导体的晶体结构

纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为九个9。

它在物理结构上呈单晶体形态。

2.2.2.1 共价键

硅（Si）和锗（Ge）均是四价元素，在原子最外层轨道上的4个电子称为价电子。它们分别于周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

图中显示的是硅原子的共价键二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的：

2.2.2.2 电子空穴对

当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。

当温度升高或者受到光的照射，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚变成自由电子。这一现象称为本征激发，也称为热激发、

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。

由热激发而出现的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。

游离的自由电子也可以回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

2.2.2.3 载流子

运载电荷的粒子称为载流子，当本征半导体处于外加电场时，很容易理解自由电子会产生定向移动从而形成电流，因此半导体中的电子是载流子。

空穴是由于共价键中电子被激发留下的空位，本身是无法自由移动的。实际上半导体中的空穴也是载流子。

下图给出了空穴移动的机制，左侧相邻共价键中的受束缚电子被足够的能量激发填补右侧的空穴，同时在原来的位置留下一个空穴。电子填补空穴运动的结果就好比是空穴往左移动，电子往右移动，产生了自右向左的电流。空穴参与导电的过程实际反映了共价键中受束缚电子的移动。

导体导电只有一种载流子，即自由电子导电；而在本征半导体中有两种载流子，即空穴和自由电子均参与导电。

2.3 杂质半导体

在本征半导体中掺如某些微量的元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三佳和五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

2.3.1 `N`型半导体

在本征半导体中掺杂五价元素（如磷），可形成N型半导体。

由于杂质原子的最外层有5个价电子，所以除了与周围硅原子形成共价键之外，还多出一个电子。

多出的电子，不受共价键的约束，只要获得少量的能量就可以形成自由电子。而杂质原子会由于失去1个电子而成为1个不能移动的正离子。由于掺入的杂质磷原子给出了1个多余的价电子,因此也称为施主杂质。

N型半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，简称前者为多子，后者为少子。

2.3.2 `P`型半导体

在本征半导体中掺杂三价元素（如硼），可形成P型半导体。

由于杂质原子的最外层有3个价电子，所以在与周围硅原子形成共价键时，4个共价键中会有1个因为缺少1个电子而出现1个空穴。这个空穴很容易由相邻共价键中的价电子填补，能接受1个电子，因此这里的硼原子也称为受主杂质。

当硅原子的外层电子填充此空位时，其共价键中便产生一个空穴，而杂质原子成为不可移动的负离子。

P型半导体中空穴的浓度大于自由电子的浓度，故称空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，简称前者为少子，后者为多子。

2.3.3 杂质对半导体导电性的影响

一些典型的数据如下：

T=300K室温时，本征硅的电子和空穴浓度： $n=p=1.4 \times 11^{10}/cm^3$ ；

掺杂后N型半导体中的自由电子浓度： $n=5 \times 11^{16}/cm^3$ ；

本征硅的原子浓度： $4.96 \times 10^{22}/cm^3$ 。

以上三个浓度基本上依次相差 $10^6/cm^3$ 。

2.3.4 漂移和扩散

在热能激发下半导体当中的载流子运动是杂乱无章的随机运动，载流子在任意方向的平均速度为零，因而不形成电流。

在半导体中载流子的定向运动会产生电流。通常产生载流子定向运动的机制有两种：漂移与扩散；

漂移：当半导体处于外电场E作用下，根据载流子所带电荷的特性，空穴将沿着电场方向运动，电子沿电场反方向运动。载流子处于电场作用下的定向运动称为漂移运动，由漂移运动产生的电流叫作漂移电流；
扩散：当半导体局部受到光照或者有外部载流子注入时，其内部的载流子分布会变得不均匀，出现载流子浓度差，此时载流子会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种由浓度差引起的运动称为扩散运动，由扩散运动产生的电流称为扩散电流。

2.4 `PN`结

2.4.1 `PN`结的形成

在一块本征半导体的两侧通过掺杂不同的杂质，分别形成N型和P型半导体。

将P型半导体和N型半导体制作在同一个硅片上，在交界面上就形成PN结。

由于P型半导体有大量的空穴、少量的自由电子；N型半导体有大量的自由电子，少量的空穴，因浓度差而形成扩散运动；

P区的空穴向N区扩散；
N区的自由电子向P区扩散；

由于扩散到P区的自由电子和空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，导致交界面附近的多子浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，由于它们不能移动，称为空间电荷区，从而形成内电场。

随着内电场的增强，正好阻止扩散运动的进行。

最后多子的扩散和少子漂移达到动态平衡，在空间电荷区由于缺少多子，所以也称为耗尽层。

2.4.2 `PN`结的单向导电性

PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈现低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。

PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：

i = I_{s} (e^{\frac{q u}{k T}} - 1)

$i=I_s(e^{\frac{qu}{kT}}-1)$

式中 $I_s$ 为反向饱和电流，q为电子的电量，k为波尔兹常数，T为热力学温度。

如果外加电压使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；
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；

2.4.2.1 正偏

PN结加正向电压如下图所示：

此时P区电位高于N区，外加电压形成的外加电场 $E_F$ 与PN结的内建电场 $Eφ$ 方向相反。外加电场与内建电场的叠加结果使空间电荷区总的电场被削弱。

PN结的平衡状态被打破，平衡状态下被阻碍的多子扩散过程得以继续，即P区的多子空穴和N区的电子均向PN结移动。结果,空间电荷区的电荷量减少，耗尽区变窄。

扩散电流远大于偏移电流，可忽略偏移电流的影响，PN结呈现低阻态。

2.4.2.2 反偏

PN结加反向电压如下图所示：

此时P区电位低于N区，外加电压形成的外加电场 $E_R$ 与PN结的内建电场 $Eφ$ 方向相同。外加电场与内建电场的叠加结果使空间电荷区总的电场被增强。

PN结的平衡状态被打破，平衡状态下被阻碍的多子扩散过程被进一步抑制，即P区的多子空穴和N区的电子均进一步离开PN结。结果,空间电荷区的电荷量增加，耗尽区变宽。PN结呈现高阻态。

2.4.3 `PN`结的反向击穿

PN结反偏状态下，其两端的电压并不是可以无限制增大的，当加在PN结上的反偏置电压 $V_R$ 超过一定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结的反向击穿。

从击穿的机理来区分，可以划分为：

雪崩击穿（掺杂浓度低的情况下）：
齐纳击穿（掺杂浓度高的情况下）；

2.4.4 `PN`结的电容效应

在一定的条件，PN结具有电容效应，根据产生原因不同分为势垒电容和扩散电容。

2.4.4.1 势垒电容

势垒电容是由于空间电荷区的离子薄层形成的，当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应的随之改变，这相当于PN结中储存的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电；

2.4.4.2 扩散电容

当在外加正向电压时，会削弱内电场的作用，使得扩散运动恢复，扩散作用的恢复，N区的多子（自由电子）会通过扩散运动，运动到P区，那么在P区会变成非平衡的少子（N区来的自由电子），非平衡的少子从空间电荷区到P区会有一个浓度梯度的变化，不然不能进行扩散运动，那么在接近空间电荷区附近的非平衡少子的浓度会很高，当外加电压越高的时，接近空间电荷区的非平衡少子的浓度就越高，积累的电荷量就越多，那么电容响应就越明显。

2.5 本节小节

学完本节内筒后需要掌握以下内容：

半导体的分类以及性质；
杂质半导体的形成以及性质；
PN结的形成原理以及特性。

2.6 思考题

(1) 在制造半导体器件时，为什么先将导电性能介于导体与绝缘体之间的硅或锗制成本征半导体，使之导电性极差，然后再用扩散工艺在本征半导体中掺入杂质形成N型半导体或P型半导体改善其导电性？

答：导电性能介于导体和绝缘体之间的硅或锗导电性不可控，而制作成本征半导体后，通过掺杂形成P型和N型半导体，导电性能改善的同时导电性能可控。

(2) 为什么称空穴是载流子？在空穴导电时，电子运动吗？

答：空穴其实是对半导体导电方式的一种形象化描述，是电子运动的结果，不存在空穴这种实际物体，当电子从原来的位置离开后，相应区域内便显正电，吸引其他电子填补这个正电区，当另一个电子离开原来的位置填补这个正电区后又形成了新的空穴，这就好比空穴移动了，实际上是电子的移动导致空穴的移动。

于是空穴的移动也可以反映电子的移动，故称空穴为载流子。空穴导电时，电子会移动。所以空穴不是一种载流子，但是在它的运动中可以将其等效为载流子。空穴导电时等电量的电子会沿其反方向运动。

(3) 如何从PN结的电流方程来理解其伏安特性曲线和温度对伏安特性的影响？

PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：

i = I_{s} (e^{\frac{q u}{k T}} - 1)

$i=I_s(e^{\frac{qu}{kT}}-1)$

式中 $I_s$ 为反向饱和电流，q为电子的电量，k为波尔兹常数，T为热力学温度。

如果 $I_s$ 不变，当T增大时，相同的端电压u，i变小；然而实际上当温度升高时， $I_s$ 是变化的，而且是爆炸的变大，当温度升高时，正向特性向左移，反向特性向下移。

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三、半导体二极管

3.1 教学目标

3.1.1 知识目标

了解二极管的分类；
掌握二极管的伏安特性及电流方程；
掌握二极管的等效电路；
掌握稳压二极管的性值；

3.1.2 能力目标

熟悉二极管的性质，并能够进行电路原理分析。

3.2 二极管的组成

将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。

由P区引出的电极为阳性，由N区引出的电极为阴性。

二极管常见的几种结构如下：

点触型二极管：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高；
面接触型二极管：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低；
平面二极管：结面积可大可小，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的可作为秒冲数字电路中的开关管。

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