电工学(ⅱ)：电子技术49308

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1、电工学(Ⅱ)：电子技术49308第1章常用半导体器件半导体器件是用半导体材料制成的电子器件，最常用的有二极管、三极管、场效应管、晶闸管、单结晶体管等。随着电子技术的飞速发展，各种新型半导体器件层出不穷，几乎所有电子设备都离不开半导体器件。因此，全面了解各种半导体器件的结构特点、工作原理、技术参数和性能及其适用范围，是学好电子技术的关键所在。1.1半导体基础知识自然界中的物质可以按导电能力的强弱分为导体、绝缘体和半导体。导电能力强的物质称为导体，不导电的物质称为绝缘体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体（如硅、

2、锗、硒等）。半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有热敏感性、光敏感性、掺杂敏感性等特殊性能。1.1.1本征半导体图11本征半导体结构模型经过高度提纯(99.9999999%，简称9个9)、晶体结构完整有序的半导体称为本征半导体。目前用来制造半导体器件的材料主要是单晶硅（Si）、单晶锗（Ge）和砷化镓(GaAs)等。硅和锗都是4价元素，其原子序数分别为14和32。它们的原子结构如图11(a)所示，最外层轨道上都有4个电子，称为价电子。在本征半导体(硅或锗)的单晶体结构中，原子在空间有规律地整齐排列，组成一定形式的晶

3、格点阵。由于晶体中相邻原子间的距离很近，相互影响大，价电子受到所属原子核及相邻原子核的共同约束，使1个价电子为相邻2个原子所共有，形成了晶体中的共价键结构，如图11(b)所示。这样，晶体中每个原子的4个价电子都与相邻4个原子的价电子分别组成4对共价键，相当于每个原子核最外层有8个等效价电子，这是稳定的原子结构。共价键内的2个电子叫做束缚电子。在热力学温标零度(T=0K)或无外界能量激发时，由于共价键的束缚力很强，价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体的载流子数目有限，其导电能力很差。这时即使有(不太

4、强的)外电场作用，也不会产生电流，呈现绝缘性。当温度上升时，一些价电子因原子的热运动而获得足够的能量，使之可以脱离共价键的束缚成为自由电子，这种现象叫做本征激发。自由电子是本身带有负电荷的粒子，在外电场作用下可以定向运动形成电流。当价电子脱离共价键后，共价键中就留下了1个空位，称为空穴。由于原子外层轨道的能级相同，空穴很容易被任一相邻共价键中的价电子所填充，所以空穴可以在共价键中“自由移动”。注意，空穴所在原子缺少1个电子，相当于带有1个正电荷，空穴的移动可视为正电荷的移动，因而可以把空穴看成是带1个正电荷的粒子，它在

5、外电场作用下也可以定向运动而形成电流。带有电荷的自由电子和空穴都称为载流子，它们的定向运动是半导体导电的内部机制，即半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和。在本征半导体内，自由电子和空穴总是相伴出现的，所以本征半导体中自由电子和空穴数目是相等的。半导体内部除了本征激发产生电子空穴对以外，电子和空穴在无规则的游离状态下，也会相遇而互相填补，使自由电子和空穴一同消失，这一过程称为载流子的复合。电子空穴对同时产生、同时消失。在一定温度下，它们的产生、复合在持续不断地进行，使载流子数目在变化中处于一种动态平衡，半导体中的载

6、流子浓度将保持一定的数值。温度升高时本征激发使电子空穴对数目相对增多。理论分析表明，载流子浓度会随温度的升高按指数规律增大，在电场一定的情况下，本征半导体内载流子数目越多，电流就越大。所以，温度是影响半导体性能的一个很重要的因素。另外，光照、辐射等外界条件的加强都会使半导体导电能力增大。1.1.2杂质半导体如上所述，影响半导体性能的另外一个因素是在本征半导体中掺入微量杂质，形成杂质半导体。因掺入的杂质不同，可将杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两类。1.N型半导体在本征半导体(如硅)中掺入微量的五价元素，如磷(或砷

7、、锑等)，这些微量的杂质原子掺入后基本上不会改变本征半导体的晶体结构，只是在某些位置取代了硅原子。在磷原子的五个价电子中，有四个与其相邻的硅原子组成共价键，多余的1个价电子不受共价键的束缚，受原子核的引力也较小，在室温下极容易脱离磷原子的吸引成为自由电子，而磷原子成为不能移动的带正电荷的离子。除了磷原子提供的自由电子外，原晶体中也有由于本征激发产生的自由电子和空穴。每个磷原子都能提供1个自由电子，却不能同时产生空穴，所以这些额外的自由电子使半导体中的自由电子数目大大增加，而空穴数目则远远小于自由电子数目。因此，在这种掺

8、杂半导体中，电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少子)，这种杂质半导体主要以电子的定向运动形成电流，故称为N型(电子型)半导体。2.P型半导体在本征硅(或锗)内掺入微量的三价元素，如硼(或铝、铟等)，晶体中的某些位置被硼原子所替代。由于硼原子最外层只有3个价电子，它们与相邻的四个硅原子组成共价键结构时，其中1个共价