半导体基础知识

本征半导体

• 导体导电只有一种载流子-自由电子；本征半导体有两种载流子–自由电子和空穴；自由电子的移动即是自由电子的移动，而空穴的移动则是价电子的移动。
• 在一定温度下，本征激发产生的载流子与复合的数目相等，达到动态平衡，因此一定温度下，本征半导体中的载流子浓度是一定的。
• 如果本征半导体外加电场，其载流子的运动情况是怎么样的？
• 本征半导体导电能力很差，且与温度密切相关，可利用这一特性制作热敏或光敏器件。

杂质半导体

• P（positive，多数载流子为空穴带正电）\N（negative，多数载流子为电子带负电）
• PN结
  • 形成：当P型和N型半导体制作在一起后，两种载流子的浓度差很大，P区的空穴向N区扩散，N区的自由电子向P区扩散。扩散到N区的空穴和自由电子复合，扩散到P区的自由电子与空穴复合；所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区（所谓离子，是电子数目和原子核电荷数目不相等的原子，自然也就是不能移动的），形成了空间电荷区。
  • 漂移运动与扩散运动的平衡
• PN结的单向导电性
  • 正向电压：外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱；扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。
  • 反向电压：外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也叫漂移电流。然而，因为少子数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，所以在近似分析中将它忽略不计，认为PN结处于截止状态。
• PN结的伏安特性
  • 齐纳击穿：在高掺杂的情况下，耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，直接破坏共价键，产生电子-空穴对，致使电流急剧增加。可见齐纳击穿电压较低。
  • 雪崩击穿：掺杂浓度低，则低反向电压不会出现齐纳击穿。但是当反向电压增加到较大的数值后，耗尽层的电场使少子的漂移速度加快，从而与共价键的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生空穴-电子对。新产生的电子又会去撞击其他共价键，载流子雪崩式地倍增。
• PN结的电容效应
  • 势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容
  • 扩散电容：非平衡少子。扩散区内少子浓度分布从耗尽层开始逐渐衰减直到零。外加电压增大，非平衡少子浓度增大；反之降低。这种在扩散区内电荷的积累与释放过程与电容器充放电类似，因此这种电容效应被称为扩散电容。

半导体二极管

二极管常见结构

伏安特性

参考PN结的伏安特性

二极管的主要参数

• 最大整流电流$I_F$IF​：与PN结面积以及外部散热条件有关
• 最高反向工作电压
• 反向电流（对温度非常敏感）
• 最高工作频率$f_M$fM​：超过此值时，由于结电容的作用，二极管不能很好地体现单向导电性

二极管的等效电路

稳压二极管

• 伏安特性
• 主要参数
  • 稳定电压$U_Z$UZ​：同一型号的稳压管之间$U_z$Uz​存在一定差别，但是就某一只管子而言，$U_Z$UZ​应为确定值。
  • 稳定电流$I_Z$IZ​：电流低于此值时，稳压效果变差。不超过功耗的情况下，电流越大，稳压效果越好。
  • 额定功耗
  • 动态电阻
  • 温度系数$\alpha = \delta U_Z / \delta T$α=δUZ​/δT：稳定电压小于4V的管子具有负温度系数（属于齐纳击穿），温度升高时稳定电压值下降；稳定电压大于7V的管子具有正温度系数（属于雪崩击穿）；而稳定电压在4~7V之间的管子，温度系数非常小，近似为零（齐纳击穿和雪崩击穿均有）

晶体三极管(Bipolar Junction Transistor, BJT)

常见形态

晶体管的结构及类型

晶体管的电流放大作用

使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置q且集电结反向偏置。

1. 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流$I_E$IE​
2. 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流$I_B$IB​
3. 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流$I_C$IC​

举个例子

小明（B）、小刚（E）、小红（C）。小明馋了，想吃火锅，但是他既没有锅，也没有食材。但是他知道，小刚有食材，小红那里有一口锅。于是，小明心生一计，他跟小刚说，咱们吃火锅吧，我这里有锅，你带着食材来就行了；然后跟小红说，我这里有食材，你把锅烧热准备好，咱们吃火锅。于是，小刚背着一堆牛羊肉和菜来到小明家里，发现小明根本就没有锅，正要生气，小明跟小刚说，别急啊，锅给你准备好了，就在隔壁小红家呐！于是，小明就带着小刚和食材去了小红家，半路上，小明还把小刚做好的小酥肉给吃了几块。就这样，一个火锅三人局就快乐地组起来了。

同样的，在三极管中，发射结的pn结正偏，发射极的大量自由电子准备通过扩散运动到B极去($I_E$IE​)；在去之前，发射极并不知道其实基极并没有足够的地方来容纳它的自由电子；到了之后才发现，扩散运动根本实现不了啊，基区的空穴太少了（$I_B$IB​很小），根本不可能达到稳态，那怎么办呢？哎，这些自由电子忽然发现，由于集电结的反偏，正好符合它们做漂移运动的条件，于是它们就越过了集电结，到达集电区，形成了漂移电流（$I_C$IC​）。

• 晶体管电流的分配关系
  注：$I_{EN}$IEN​为发射区向基区扩散所形成的电子电流；$I_{EP}$IEP​为基区向发射区扩散所形成的空穴电流；$I_{BN}$IBN​为基区内复合运动所形成的电流；$I_{CN}$ICN​为基区内非平衡少子（即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子）漂移至集电区所形成的电流；$I_{CBO}$ICBO​为平衡勺子在集电区和基区之间的漂移运动所形成的电流。
  $I_E = I_{EN} + I_{EP} = I_{CN} + I_{BN} + I_{EP}$IE​=IEN​+IEP​=ICN​+IBN​+IEP​
  $I_C = I_{CN} + I_{CBO}$IC​=ICN​+ICBO​
  $I_B = I_{BN} + I_{EP} - I_{CBO} = I_B' - I_{CBO}$IB​=IBN​+IEP​−ICBO​=IB′​−ICBO​
  从外部看
  $I_E = I_B + I_C$IE​=IB​+IC​
• 共射电流放大系数
  近似等式 $i_c = \beta i_B$ic​=βiB​
  $\alpha = \frac{\Delta i_C}{\Delta i_E} = \frac{\beta}{1+\beta}$α=ΔiE​ΔiC​​=1+ββ​

晶体管的共射特性曲线

• 输入特性曲线
  $U_{CE}$UCE​增大时，曲线将右移。因为有发射区注入基区的非平衡少子会随着$U_{CE}$UCE​的增大而形成集电极电流，因此$I_B$IB​将会减小；若要获得相同大小的基极电流，需要增大$U_{BE}$UBE​。当$U_{CE}$UCE​超过一定数值之后，集电结的电场已经足够强，可将绝大部分非平衡载流子收入到集电区，因此$I_B$IB​基本不会随着$U_{CE}$UCE​的增大而变化。
• 输出特性曲线
  
  • 截止区：其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。对于共射电路，$u_{BE} < U_{on}$uBE​<Uon​且$u_{CE} > u{BE}$uCE​>uBE。此时，$I_B = 0$IB​=0，而$i_C < I_{CEO}$iC​<ICEO​。小功率硅管的$I_{CEO}$ICEO​在1uA以下，锗管的$I_{CEO}$ICEO​小于几十uA。因此在近似分析中可以认为晶体管截止时的$i_c = 0$ic​=0
  • 放大区：其特征是发射结正向偏置且集电结反向偏置。对于共射电路，$u_{BE} > U_{on}$uBE​>Uon​且$u_{CE} > u{BE}$uCE​>uBE。此时，$i_c$ic​几乎仅决定于$i_B$iB​，而与$u_{CE}$uCE​无关。
  • 饱和区：其特征是发射结与集电结均处于正向偏置。对于共射电路，$u_{BE} > U_{on}$uBE​>Uon​且$u_{CE} < u{BE}$uCE​<uBE。此时，$i_C$iC​不仅和$i_B$iB​有关，而且明显随$u_{CE}$uCE​增大而增大，$i_C$iC​小于$\beta I_B$βIB​。在实际电路中，若晶体管的$u_{BE}$uBE​增大时，$i_B$iB​随之增大，但$i_C$iC​增大不多或基本不变，则说明晶体管进入饱和状态。对于小功率管，可以认为当$u_{CE} = u{BE}$uCE​=uBE，即$u_{CB} = 0$uCB​=0时，晶体管处于临界状态，即临界饱和或临界放大状态。
    在模拟电路中，绝大多数情况下应保证晶体管工作在放大状态。

晶体管的主要参数

在计算机辅助设计和分析中，根据晶体管的结构和特性，要用几十个参数全面描述它。

• 直流参数
  • 共射直流电流系数$\beta$β
  • 共基直流电流放大系数$\alpha$α
  • 极间反向电流：$I_{CBO}$ICBO​是发射结开路时集电结的反向饱和电流。$I_{CEO}$ICEO​是基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电流，$I_{CEO} = (1 + \beta)I_{CBO}$ICEO​=(1+β)ICBO​。选用管子时，极间反向电流应尽量小。硅管比锗管小2~3个数量级，因此温度稳定性更好。

温度对晶体管特性及参数的影响

• 温度每升高10摄氏度，$I_{CBO}$ICBO​增加约一倍
• 对输入特性的影响（温度升高，正向特性左移）$|u_{BE}|$∣uBE​∣具有负温度系数，温度升高1摄氏度，大约下降2~2.5 mV
  
• 输出特性的影响：温度升高时，$\beta$β增大
  

光电三极管

依据光照强度来控制集电极电流的大小。将参变量基极电流$I_B$IB​用入射光强E取代。

场效应管（Field Effect Transistor, FET）

分为结型和绝缘栅型

结型场效应管

在同一块N行半导体上制作两个高掺杂的P型半导体，并将它们链接在一起，引出电极为栅极g。 P区与N区交界面形成耗尽层，漏极与源极间的非耗尽层称为导电沟道。

• 工作原理：

1. 当$u_{DS} = 0$uDS​=0时（d,s短路），$u_{gs}$ugs​对导电沟道的控制作用：
   

• 当$u_{gs} = 0$ugs​=0，耗尽层很窄，导电沟道很宽；
• 当$|u_{gs}|$∣ugs​∣增大，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻增加。当$|u_{gs}|$∣ugs​∣增大到某一数值，耗尽层关闭，沟道消失，电阻趋于无穷大。此时的$|u_{gs}|$∣ugs​∣为夹断电压$|u_{gs, off}|$∣ugs,off​∣

2. 当 $|u_{gs}|$∣ugs​∣大于零小于夹断电压时，$|u_{ds}|$∣uds​∣对于$i_D$iD​的影响
   1. 在$u_{gd} = u_{gs} - u_{ds} > U_{gs, off}$ugd​=ugs​−uds​>Ugs,off​的情况下，对应不同的$u_{gs}$ugs​，d-s间等效成不同阻值的电阻；
   2. 当$u_{ds}$uds​使得$u_{gd} = U_{gs, off}$ugd​=Ugs,off​时，d-s之间预夹断。
   3. 当$u_{ds}$uds​使得$u_{gd} < U_{gs, off}$ugd​<Ugs,off​时，$i_d$id​几乎仅仅决定于$u_{gs}$ugs​，而与$u_{ds}$uds​无关。此时可以把$i_D$iD​近似看成$u_{gs}$ugs​控制的电流源

• 输出特性曲线
  
  • 可变电阻区：虚线为预夹断轨迹，满足$u_{gd} = U_{gs, off}$ugd​=Ugs,off​。可以通过改变$u_{gs}$ugs​的大小来改变d-s等效电阻阻值。
  • 恒流区（也称饱和区）：$u_{gd} < U_{gs, off}$ugd​<Ugs,off​。利用场效应管作放大管的时候，应使其工作在该区域。
  • 夹断区：$u_{gs} < u_{gs, off}$ugs​<ugs,off​（负值）。
  • 击穿区
• 转移特性：在输出特性的恒流区做横轴的垂线，读出与各曲线的交点，建立$u_{gs}, i_D$ugs​,iD​坐标系，即得到转移特性曲线。当工作在可变电阻区的时候，对不同的$U_{DS}$UDS​，转移特性将有很大差别。

绝缘栅型场效应管