第一章 半导体基础知识

§1.1  半导体基础知识

一、本征半导体

1.什么是半导体？什么是本征半导体？

     导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。

     导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。

    绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。

    半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。

本征半导体是纯净（无杂质）的晶体结构（稳定的结构）的半导体。

2.本征半导体的结构

    自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。

    一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定（动态平衡）；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。

3、本征半导体中的两种载流子

为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？

将半导体变成本征状态并非为了追求导电性差，而是通过净化材料实现导电性的可控调节，从而为后续掺杂和器件设计提供基础。本征半导体的低导电性本质上是半导体技术实现高精度、高稳定性控制的物理前提。

二、杂质半导体

三、PN结的形成及其单向导电性

     物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。

        扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。

PN结的形成

    由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。

      参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。

PN结的单向导电性

四、PN结的电容效应

1.  势垒电容

   PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。

2.  扩散电容

    PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。

    结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！

问题

为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？

为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？

为什么半导体器件有最高工作频率？

§1.2  半导体二极管

一、二极管的组成

将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。

二、二极管的伏安特性及电流方程

二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。

从二极管的伏安特性可以反映出： 
 1.  单向导电性

三、二极管的等效电路

1. 将伏安特性折线化

2. 微变等效电路

    当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。

四、二极管的主要参数

最大整流电流IF：最大平均值

最大反向工作电压UR：最大瞬时值

反向电流 IR：即IS

最高工作频率fM：因PN结有电容效应

讨论：解决两个问题

如何判断二极管的工作状态？

什么情况下应选用二极管的什么等效电路？

五、稳压二极管

§1.3  晶体三极管

一、晶体管的结构和符号

二、晶体管的放大原理

三、晶体管的共射输入特性和输出特性

     晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。

四、温度对晶体管特性的影响

五、主要参数