新澳门新葡萄娱乐常用半导体元器件

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　　常用半导体元器件半导体元器件是用半导体材料制成的电子元器件随着电子技术的飞速发展各种新型半导体元器件层出不穷。半导体元器件是组成各种电子电路的核心元件学习电子技术必须首先了解半导体元器件的基本结构和工作原理掌握它们的特性和参数。本章从讨论半导体的导电特性和PN结的单向导电性开始分别介绍二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和半导体光电器件等常用的半导体元器件。1.1半导体的导电特性1.1.1导体、绝缘体和半导体自然界的物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。物质的导电能力可以用电导率σ或电阻率ρ来衡量二者互为倒数。物质的导电能力越强其电导率越大电阻率越导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体如银、铜、铝、铁等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小可以自由移动成为自由电子。在外电场个用下自由电子逆电场方向运动而形成电流。导体的主要特征是电阻率ρ很小一般在m/mm2?之间例如铜的电阻率为m/mm2?新澳门新葡萄娱乐。绝缘体是导电能力极弱的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧因而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻率大于m/mm2?。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在101013m/mm2?之间。如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。例如在27时纯硅的电阻率为21108m/mm2?纯锗的电阻率为47108m/mm2?。此外半导体还具有不同于其他物质的一些特性热敏特性金属的电阻率随温度的变化很小例如温度每升高铜的电阻率增加左右即温度升高电阻率增加不到一半。电子技术而半导体的导电能力对温度变化反应灵敏电阻率随温度升高而显著降低。例如纯锗在温度从升高到时其电阻率就要降低一半左右。利用这种特性可以制成各种半导体热敏元件用来检测温度变光敏特性金属的电阻率不受光照的影响但半导体的导电能力对光照敏感光照可使半导体的电阻率显著减小。利用这种特性可以制成各种光敏元件。杂特性金属中含有少量杂质时电阻率没有显著变化。但若在纯净的半导体中加入微量杂质其电阻率会发生很大变化导电能力可增加几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百分之一的硼后硅的电阻率会从m/mm2?降到m/mm2?左右。利用这种特性可制成半导体二极管三极管场效应晶体管及晶闸管等各种不同用途的半导体器件。为什么半导体会有这些不同于其他物质的特点呢这要从其原子结构去分析。半导体的原子结构和共价键在现代电子技术中用得最多的半导体是锗和硅它们的原子结构如图1-1所示。锗和硅的最外层电子都是个因此都是四价元素。最外层电子受原子核束缚力最小称为价电子。物质的化学性质是由价电子数决定的半导体的导电性质也与价电子有关。简化模型图1-1锗和硅的原子结构根据原子之间排列形式的不同可把物质分成晶体和非晶体两大类。所谓晶体就是这些物质的原子是按一定的规则整齐地排列着组成某种形式的晶体点阵。现在所用的半导体材料都制成晶体。例如将锗和硅材料提纯并形成单晶体后锗和硅原子就是按四角形系统组成晶体点阵即每个原子处于正四面体中心而有四个其他原子位于四面体的顶点如图1-2所示。由于原子之间靠得很近原来分属于每个离子的价电子就要受到相邻原子的影响而使价电子为两个原子所共有即形成了晶体中的共价键结构。图1-3是14432常用半导体元器件硅晶体价键结构平面示意图。图1-2晶体中原子的排列方式图1-3硅晶体中的共价键结构平面示意图本征半导体的导电机理本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚。它们不象导体中的价电子那么自由但也不像绝缘体中的电子被束缚得那么紧。在室温下由于热激发会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚成为自由电子。这种现象叫做本征激发。当电子跑出其价键成为自由电子后共价键中就留下一个空位这个空位称作空穴。在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现的有一个自由电子就有一个空穴如图所示。挣脱共键价束缚的电子类似于导体中的自由电子在电场的作用下将逆电场方向运动形成电流。那么空穴是否也能移动并参与导电呢失去价电子的原子成为带正电的正离子因此可以把空穴看成是带正电的粒子它能够吸引邻近共健中的价电子来填补这个空穴。这时失去了价电子的邻近共价键中出现的空穴又可以吸引其邻近的价电子来递补从而又出现一个空穴。如此进行下去就相当于空穴在移动。空穴是带正电的价电子填充空穴的移动相当于带正电荷的粒子空穴的移动也会形成电流。SiSiSiSiSiSiSiSiSi硅原子价电子共价键图1-4空穴和自由电子的形成SiSiSiSiSiSiSiSiSi空穴自由电子电子技术总之在外加电场作用下半导体中出现两部分电流即自由电子作定向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的空穴电流。因此自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子同时参与导电是半导体导电方式的最大特点也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在新澳门新葡萄娱乐。自由电子会不会填补空穴呢会的自由电子填补空穴叫做复合。在一定的温度下本征半导体中的电子空穴对的数目保持一定也就是说电子和空穴对不断产生同时又不断复合处于一种动态平衡状态。温度愈高载流子数目愈多导电能力也愈强。所以温度是影响半导体导电性能力的一个很重要的外部因素。型半导体和型半导体本征半导体虽有自由电子和空穴两种载流子但由于数量极少导电能力很弱。如果在其中掺入微量的杂质某种元素就会使掺杂后的半导体称作杂质半导体的导电能力显著增强。因所掺入的杂质不同杂质半导体可分为N型和P型两大类。型半导体若在四价的硅或锗晶体中掺入少量五价元素磷P晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置如图1-5所示。磷原子中的个价电子只有个能够和相邻的硅原子组成共价键结构余下的一个电子因不受共价键的束缚容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是自由电子数目大量增加自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式故称其为电子型半导体或型半导体。N型半导体中由于自由电子数远大于空穴数因此自由电子是多数载流子简称多子空穴是少数载流子简称少子。由于磷原子是施放电子的故称磷为施主杂质。2P型半导体若在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼B由于硼原子只有个价电子因而在组成共价键结构时因缺少一个价电子而多出一个空穴如图1-6所示。于是半导体中空穴数目大量增加空穴导电成为这种半导体的主要导电方式故称它为空穴型半导体或型半导体。由于硼原子是接受电子的故称为受主杂质。在P型半导体中空穴为多子自由电子为少子。常用半导体元器件图1-5硅晶体中掺入磷元素图1-6硅晶体中掺入硼元素不论是N型半导体还是P型半导体尽管都有一种载流子占多数但是整个晶体仍是电中性的。【练习与思考】1.1.1电子导电和空穴导电有什么区别空穴电流是不是由自由电子递补空穴形成的1.1.2N型半导体中的自由电子多于空穴P型半导体中的空穴多于自由电子是否N型半导体带负电而P型半导体带正电PN结及其单向导电性虽然P型和N型半导体的导电能力比本征半导体增强了许多但并不能直接用来制造半导体器件。通常采用一定的掺杂工艺在一 块晶片的两边掺入不同的杂质分别形成P型半导体和N型半导体在它们的交界面处 就会形成结它是构成各种半导体器件的基础。那么PN结是怎样形成的有何特性呢 1.2.1 PN结的形成 掺杂工艺完成后一块半导体晶片中形成P型和N型的两个异型区。 P区内空穴很多而电子很少N区内电子很多而空穴很少多数载流子由于浓度的差异 而产生扩散运动。空穴要从浓度高的P区向N区扩散并与N区的电子复合电子要从浓 度高的N区向P区扩散并与P区的空穴复合。扩散使得P区和N区分别因失去空穴和电 子而在交界面两侧留下带负电和正电的离子形成了一个空间电荷区如图所示。这个 空间电荷区就是PN结。 SiSiPSiSiSiSiSiSi自由电子施主杂质SiSiBSiSiSiSiSiSi空穴 受主杂质电子技术 图1-7 PN结的形成 空间电荷区的正负离子虽然带有电荷但 它们不能移动因而不能参与导电。在这个区域内多数载流子已扩散到对方并被复合 掉了或者说消耗尽了所以空间电荷区也称为耗尽层它的电阻率很高。 正负离子在 空间电荷区形成一个电场称为内电场。由于内电场的方向与扩散运动的方向相反即 对多数载流子P区的空穴和N区的自由电子的扩散起阻挡作用所以空间电荷区又称 为阻挡层。 虽然内电场阻碍多数载流子的扩散运动但对少数载流子P区的电子和N 区的空穴越过空间电荷区进入对方区域起着推动作用。这种少数载流子在电场作用 下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动使交界面两侧P区和N区由于扩散运动而失 去的空穴和电子得到一些补充其作用与扩散运动相反。 由此可见PN结的形成过程 中存在着两种运动一种是多数载流子因浓度差而产生的扩散运动另一种是少数载流 子在内电场作用下产生的漂移运动。这两种运动相互制约最终从P区扩散到N区的空 穴数与从N区漂移到P区的空穴数相等从N区扩散到P区的电子数与从P区漂移N区的 电子数相等在一定条件下达到动态平衡使PN结处于相对稳定状态。 结的单向导 PN结在没有外加电压时其中的扩散和漂移处于动态平衡PN结内无电流通过。那么在PN结两端加上外部电压后情况会怎样 PN结外加正向电压将PN 结P区接电源正极N区接电源负极称为PN结外加正向电压又叫正向偏置如图1-8所 示。PN结正向偏置时外电场与内电场方向相反从而削弱了内电场破坏空间电荷区内 电场方向P区N区变窄内电场外电场PNERFI图1-8 PN结正向偏置 常用半导体元器件 了PN结原有的动态平衡使得空间电荷区的宽度减小多数载流子的扩散 运动显著增强形成较大的扩散电流而少数载流子的漂移运动减弱。所以在外加正向 电压的PN结中扩散电流占主导地位PN结呈现的电阻很低在外电路中形成较大的流 入P区的正向电流IF。 2PN结加反向电压 将PN结N区接电源正极P区接电源 负极称为PN结外加反向电压又叫反向偏置如图1-9所示。PN结反向偏置时外电场与 内电场方向相同同样也破坏了PN结原有的动态平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的 空穴和自由电子移走使得空间电荷增加空间电荷区变宽内电场增强使多数载流子的 扩散运动难以进行扩散电流趋近于零。同时内电场的增强也加强了少数载流子的漂 移运动但由于少数载流子数量很少因此反向电流IR不大PN结呈现很高的反向电阻。 又因为少数载流子是由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚而产生的环境温度愈高 少数载流子的数量愈多。所以温度对反向电流的影响很大。由于一定温度下少数载 流子的数目是一定的当电压超过某数值后全部少数载流子都参与导电此时反向电流 几乎与外加电压的大小无关故称为反向饱和电流新澳门新葡萄娱乐。 总之外加正向电压时PN结电阻很低正向电流很大PN结处于导通状态外加反向电压 时结电阻很高反向电流很小PN结处于截止状态。这就是结的单向导电性。 习与思考】1.2.1 为什么说扩散运动是多数载流子的运动漂移运动是少数载流子的 1.2.2空间电荷区既然是由带电的正、负离子形成的为什么它的电阻率很 加宽内电场外电场PN0RIER图1-9PN结反向偏置 电子技术 半导体二极管 1.3.1 二极管的基本结构 半导体二极管是由一个PN结加上电极引出线和外壳构成