【電工學】半導體

摘要：P型半導體和N半導體接觸面區域，少子擴散運動和多子擴散運動達到平衡的區域就是PN節，PN節具有單項導電的作用。

正文：

1、半導體具有熱敏、光敏、摻雜特性；

2、雜質半導體的導電特性優於本征半導體；

3、半導體導電由自由電子和空穴共同完成；

4、PN結形成的過程及內部載流子的運動過程

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 半導體

1、物質按導電能力分類：

 

 

半導體的特性

1、半導體：導電能力介於導體和絕緣體之間的物質

2、半導體的特性：（1）熱敏、（2）光敏、（3）摻雜特性

3、常用於制造半導體的材料有：（1）硅（Si）、（2）鍺（Ge）、（3）砷化鎵（GaAs）

半導體的種類：本征半導體、雜質半導體

1、本征半導體：完全純凈的半導體

（1）常見的有：硅（Si）、鍺（Ge）

 

 

本征半導體

 

 

硅、鍺原子結構（四價簡化模型）

（2）本征半導體的原子結構排列

 

 

本征半導體的原子結構排列

（3）本征激發

半導體內存在兩種電流：

自由電子做定向運動形成的電子電流，即電子導電；

價電子遞補空穴形成的空穴電流，即空穴導電；

這是半導體導電的最大特點，也是半導體導電與金屬導電在原理上的本質區別。

 

 

半導體導電的兩種方式

2、雜質半導體：在本征半導體中摻雜其他的微量元素

（1）摻入五價元素，如磷（P），摻雜后，半導體中自由電子的數目大量增加，自由電子導電成為此種半導體的主要導電方式，一般稱為電子型半導體，或N型半導體。

 

 

電子型半導體，或N型半導

（2）摻入三價元素，如硼（B），摻雜后，半導體中空穴的數目大量增加，空穴導電成為此種半導體的主要導電方式，一般稱為空穴半導體，或P型半導體。

 

 

空穴半導體，或P型半導體

PN結的形成

1、當把P型半導體和N型半導體直接、緊密的結合在一起之后，P型半導體和N型半導體的多數載流子和少數載流子都會發生運動。

首先，由於P型半導體和N型半導體中的自由電子與空穴的濃度不同，載流子會從濃度較高的地方向濃度較低的地方運動，因此在兩種半導體的結合部，P區內高濃度的空穴越過了結合部向N區擴散，去與N區的自由電子附和；同理N區內的高濃度自由電子越過結合部，向P區擴散，與P區空穴附和。這種多數載流子因濃度的差異而產生的運動，稱為多子的擴散運動。

這種運動產生了兩個結果，第一，由於N區失去了電子，而P區又失去了空穴，所以N區帶正點，P區帶負電，因此會在結合部形成一個空間電荷區，我們稱這個空間電荷區為PN結。第二，在空間電荷區內，即在PN結上，形成了一個內電場 ，內電場的方向是由N區指向P區，其次，隨着擴散運動的進行，空間電荷區會逐漸邊寬（假設擴大到虛線處），內電場 也變得越來越強，內電場對多數載流子的擴散運動將起到阻礙的作用。但對少數載流子來說，在內電場的作用下，P區中的少數載流子（即自由電子）非常容易渡過空間電荷區進入N區，而N區中的少數載流子（即空穴）也非常容易渡過空間電荷區進入P區，這種少數載流子在內電場作用下的運動，稱為少子漂移運動。

當PN結無外加電壓時（即PN結處於自由狀態下），擴散（多子的擴散運動）和漂移（少子漂移運動）運動在一定條件下達到了動態平衡，從而空間電荷區的寬度處於一個相對穩定的狀態，這個空間電荷區一般稱為PN結。而上述過程就是PN結的形成過程。

 

 

PN結的形成過程

注解，

（1）載流子：不論是N型半導體中的自由電子，還是P型半導體中的空穴，它們都參與導電，統稱為“載流子”.“載流子”導電是半導體所特有的。

載流子_百度百科​

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（2）多數載流子：多子，即多數載流子，是半導體物理的概念。半導體材料中有電子和空穴兩種載流子。如果在半導體材料中某種載流子占大多數，導電中起到主要作用，則稱它為多子。多子濃度主要由摻雜濃度決定，受溫度影響較小。

多子_百度百科​

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（3）少數載流子：少數載流子即非平衡載流子，對於p型半導體來說便是其中的電子，對於n型半導體來說便是其中的空穴。

少數載流子_百度百科​

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二極管

 

半導體二極管的構成

1、半導體二極管

（1）組成：是由一個PN結，加上電極和外引線、以及外殼封裝形成的。

（2）其結構形式可分為點接觸型和面接觸型。

 

3.2半導體二極管的基本構成

1、點接觸型

（1）特點：結面積小，因而流過的電流小，但高頻特性好，適用於高頻電路（幾百MHz）

（2）適用於高頻電路、小功率電路

 

 

點接觸型二極管

2、面接觸型

（1）特點：結面積大，因而流過的電流大，但高頻特性較低，適用於整流電路

 

 

面接觸型二極管

3.3半導體二極管及其符號

1、半導體二極管及其符號（箭頭方向代表二極管的電流方向）

 

 

半導體二極管及其符號

二極管的伏安特性

1、死區電壓：有伏安特性可知，當外加電壓較低時，外電場還無法克服（PN結內電場對多數載流子擴散運動）的阻力，因此正向電流很小，幾乎為0，此階段稱為“死區”。對應電壓為死區電壓。死區電壓與材料、環境溫度有關。如硅管死區電壓為0.5V，鍺管死區電壓為0.1V。

2、管壓降：只有當外加電壓超過死區電壓時，二極管才能導通，二極管一旦導通，其兩端電壓近似為常量 ，此電壓稱為二極管正向工作時的管壓降，如硅管壓降為0.6-0.7V，鍺管壓降為0.2-0.3V。

3、反向飽和電流：在反向特性區，由於少數載流子的漂移運動，形成很小的反向電流，這個反向電流有兩個特點，（1）隨溫度的升高會快速增長（2）在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本不變，而與反向電壓無關，故稱反向飽和電流。

4、反向擊穿電壓：但當反向電壓增加到某一值時，反向電流將突然增大，二極管的單向導電性被破壞，此現象稱為“擊穿”，此電壓稱為反向擊穿電壓 ，當二極管被擊穿后，就不能恢復原來的性能了，也就是說此時的二極管不再具備單向導電性能，從而失效。

5、發生擊穿的原因：發生擊穿的原因是外加的強電場把原子最外層的價電子強行拉出，使載流子數目增加，而處於強電場中的載流子，又獲得強電場所提供的能量而加速，將其他電子撞擊出來，形成了連鎖反應，結果反向電流越來越大，最后使二極管反向擊穿。（非常好！）

 

 

 

 

三極管

三極管，全稱應為半導體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導體器件。其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號，也用作無觸點開關。

三極管是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區，排列方式有PNP和NPN兩種。

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