电子技术

第1章 常用半导体器件 本章介绍常用半导体器件，具体内容为半导体基础知识、二极管及基本应用电路、特殊二极管、三极管、场效应管、电力电子器件。 1.1 半导体基础知识 自然界的各种物质，按导电性能的不同，可分为导体、绝缘体和半导体三类。金属(如银、铜、铝等)因为内部存在可自由移动的带电粒子，都是良好的导体。塑料、橡胶、陶瓷等物质因为内部几乎没有带电粒子，即使外加很高的电压也无电流通过，都是绝缘体。而导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)等就称为半导体。 1.1.1 半导体的特性 目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等，它们的导电能力会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。 当半导体的温度升高时，它的导电性能就会随着温度的升高而增强，这种特性称为热敏性。利用半导体的热敏性可制成热敏元件，如热敏电阻。 当半导体受到光的照射时，导电性能会随着光照的增强而增强，这种特性称为光敏性。利用半导体的光敏性可制成光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管等。 当有目的地往纯净半导体中掺入微量五价或三价元素时，其导电能力可提高几十万乃至几百万倍，这种特性称为掺杂特性。利用半导体的掺杂特性可以制成晶体二极管、晶体三极管、晶体场效应管等半导体器件。 1.1.2 本征半导体 将锗、硅等半导体材料提纯后形成的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。半导体的内部结构和导电机理决定了它与导体和绝缘体具有截然不同的导电特性。 硅和锗都是四价元素，其原子结构中*外层轨道上有四个价电子，其简化模型如图1-1所示。图中圆圈内的数字，表示原子核具有的正电荷数；虚线上的黑点表示电子。 图1-1 原子的简化模型 在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。由于原子间相距很近，电子不仅受到自身原子核的约束，还受到相邻原子核的吸引，使每个电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样，四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。图1-2是单晶硅和锗的共价键结构，图中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体的结构是三维的。共价键中的电子受到其原子核的吸引，不能在晶体中自由移动，是束缚电子，不能参与导电。 在-273℃时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，半导体不能导电。当温度升高时，电子因热激发而获得能量，部分价电子挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子，同时在共价键内留下了空位，如图1-3所示。 图1-2 单晶硅和锗的共价键结构 图1-3 本征激发产生自由电子和空穴 由图1-2可知，完整的共价键，价电子数等于原子核的正电荷数，所以原子不显电性。现在空位处没有电子，使该处所属原子核多出了一个未被抵消的正电荷，于是空位呈现出一个正电荷的电性。由于相邻共价键内的电子在正电荷的吸引下会填补这个空位，因而空位又会移到别处。因此，空位便可在晶体内自由移动。当有电场作用时，价电子定向地填补空位，使空位做相反方向的移动，这与带正电荷的粒子做定向运动的效果完全相同。由此可见，空位相当于带有一个电子电量的正电荷，能在电场作用下做定向运动。因此，可把空位视为一种带正电荷的粒子，称为空穴。这样，由于热激发，本征半导体内就存在两种极性的载流子：带负电荷的自由电子(简称电子)和带正电荷的空穴。 本征半导体受外界能量(热能、电能和光能等)激发，同时产生电子、空穴对的过程，称为本征激发。 在本征半导体中，由于本征激发，不断地产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷的相互吸引，当电子和空穴在运动过程中相遇时，电子会填入空位成为价电子，同时释放出相应的能量，从而电子、空穴消失，这一过程称为复合。显然，载流子浓度越大，复合的机会就越多。这样，在一定温度下，当没有其他能量存在时，电子、空穴对的产生与复合*终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度保持一定。 本征半导体中本征载流子的浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能对温度的变化非常敏感。 1.1.3 杂质半导体 在本征半导体中，有选择地掺入少量其他元素，会使其导电性能发生显著的变化。这些少量元素称为杂质，掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，有N型半导体和P型半导体两种。 1. N型半导体 图1-4 N型半导体原子结构示意图 在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到了N型半导体，N来自英文Negative。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出的一个价电子只能位于共价键之外，如图1-4所示。由于杂质原子对键外电子的束缚力很弱，只需很小的激发能量，键外电子便可挣脱杂质原子的束缚，成为自由电子。因此，室温下几乎每个杂质原子都能提供一个自由电子，从而使N型半导体中的电子数大大增加。因为这种杂质原子能“施舍”出一个电子，所以称为施主原子。 施主原子失去一个价电子后，便成为正离子。由于施主离子被束缚在晶格中，不能自由移动，因此不能参与导电。 在杂质半导体中，本征激发照旧进行，产生电子、空穴对。但由于掺入施主杂质后电子数目大大增加，空穴与电子复合的机会也相应增多，从而使空穴浓度值远低于它的本征浓度值。因此，在N型半导体中，电子浓度远大于空穴浓度。由于电子占多数，故称为多数载流子，简称多子；而空穴占少数，故称为少数载流子，简称少子。因为N型半导体主要靠电子导电，所以又称为电子型半导体。 应当指出，在N型半导体中，虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主离子的存在，正、负电荷数相等，即自由电子数等于空穴数加正离子数，因此整个半导体仍然是电中性的。 2. P型半导体 图1-5 P型半导体原子结构示意图 在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到了P型半导体，P来自英文Positive。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1-5所示。由于空位的存在，邻近共价键内的电子只需很小的激发能量便能填补这个空位，使杂质原子多一个价电子而成为负离子，同时在邻近产生一个空穴。由于这种杂质原子能够接受价电子，因此称为受主原子。在室温下，几乎每个受主原子都能接受一个价电子而成为负离子，同时产生相同数目的空穴，所以在P型半导体中，空穴浓度大大增加。 与N型半导体中的情况相反，P型半导体中，空穴浓度远大于电子浓度。空穴为多数载流子，而电子为少数载流子，因P型半导体主要靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。 在P型半导体中，空穴数等于自由电子数加受主负离子数，整个半导体也是电中性的。 3. 杂质半导体的载流子 在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。 本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多而另一种载流子少。对于多子，通过控制掺杂浓度便可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，主要由本征激发决定，掺杂使其浓度大大减小，但温度变化时，少子浓度会有明显的变化。 1.1.4 半导体中的电流 了解了载流子的情况后，现在来讨论半导体中的两种电流。 1. 漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子做定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流，它类似于金属导体中的传导电流。 半导体中有两种载流子——电子和空穴，当外加电场时，自由电子逆电场方向做定向运动，形成电子电流，而空穴顺电场方向做定向运动(实际是由电子逆电场方向依次与旧的空穴结合进而产生新的空穴形成)，形成空穴电流。由于和的方向一致，因此，半导体中的总电流为两者之和，即。 漂移电流的大小由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。 2. 扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的区域向浓度小的区域做扩散运动，从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流也就越大，与该处的浓度值并无关系。 1.1.5 PN结及其特性 通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，*简单的晶体二极管就由一个PN结构成。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。 1. PN结的形成 P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图1-6(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图1-6(b)所示。 图1-6 PN结的形成 由于空间电荷区的出现，在界面处产生了电位差UB，形成了一个方向由N区指向P区的内电场。该电场一方面会阻止多子的扩散，另一方面会引起少子的漂移，即P区中的电子向N区漂移，N区中的空穴向P区漂移。少子漂移会使界面两侧的正、负离子成对减少。因此，在界面处发生多子扩散和少子漂移两种对立的运动趋向。 开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。*后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图1-6(b)所示。 由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。 如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对于界面两侧对称，称为对称结，如图?1-6(b)所示。如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，另一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图1-7(a)、(b)所示。 图1-7 不对称PN结 2. PN结的单向导电特性 1) PN结加正向电压 使P区电位高于N区电位的接法，称为PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图1-8所示。由于耗尽区相对P区和N区为高阻区，因此外加电压绝大部分都降在耗尽区。在外加电压作用下，多子被强行推向耗尽区中和部分正、负离子，使耗尽区变窄，内电场削弱。这样就破坏了原来扩散与漂移的平衡，从而有利于多子的扩散。此时，多子源源不断地扩散到对方，并通过外回路形成正向电流。正偏后，耗尽区两端的电位差变为，但因为较小，一般只有零点几伏，所以不大的正向电压就可使内电场有明显的削弱，产生很大的正向电流。而当正向电压有微小变化时，也会引起正向电流较大的变化。 图1-8 正向偏置的PN结 2) PN结加反向电压 使P区电位低于N区电位的接法，称为PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)。由于反向电压与UB的极性一致，因此耗尽区两端的