半导体器件||的学习

电子管的介绍：

到底什么是电子管（真空管）？ - 知乎

芯片破壁者（一）：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪 - 知乎

晶体管：

什么是晶体管？它有什么作用？ - 知乎

改变世界的发明——晶体管 - 知乎

        信息时代的开始与快速发展主要归功于集成电路的发展，集成电路的根基来源于半导体技术的发展，而通过半导体材料制成的三极管等晶体管的出现，使集成技术的实现变成了可能。晶体管的出现解决了电子管体积大、功耗高的问题，完美地替代了电子管的功能，并极大地压缩了电路实现所需的空间，也极大提高了性能与电路的丰富性。

        与非门器件等是由若干个晶体管通过电路集成起来的单个逻辑器件，逐步增加可实现时序电路等数字电路，因此晶体管的出现具有跨时代的意义。

       晶体管是一种用于控制电流流动的电子元件，它是现代电子设备中的基本构建单元。晶体管由半导体材料制成，通常是硅或者锗。晶体管的工作原理基于半导体材料的导电特性和栅极的控制电场。通过在栅极施加电压，可以控制源极和漏极之间的电流流动，从而实现信号放大、开关和逻辑运算等功能。晶体管的发明对现代电子技术的发展起到了重要的推动作用。

  下面从半导体材料开始，介绍PN结与部分晶体管（二极管、三极管、MOS管）

半导体材料与PN结

半导体材料

       基于半导体材料的晶体管：https://zhuanlan.zhihu.com/p/358075586

半导体材料：导电能力介于导体和绝缘体之间的一种材料，如硅、锗等

本征半导体：纯净的，具有晶体结构的半导体

 

       本征半导体的结构稳定，价电子不能导电，导电需要自由电子。

       本征激发是价电子逃离共价键，变成自由电子，从而实现导电的现象，价电子逃离共价键后空缺的位置称为空穴，空穴可以被其他价电子填充，从而造成空穴的相对移动，从而实现导电，因此自由电子与空穴都是本征半导体的载流子，都能导电。

       本征激发越多，导电能力越好。与本征激发相反的运动成为复合，即其他自由电子填补空穴，消灭本征激发。

   本征半导体的导电能力与载流子（即空穴、自由电子）的浓度有关。而因为本征激发与复合的速度会影响载流子的浓度·因此导电能力也与本征激发与复合的速度有关。

由于温度对半导体器件导电能力的提高较为有限，因此出现了杂质半导体。

杂质半导体：向本征半导体中加入少量杂质元素，扩散工艺，提高导电能力

       1、N型半导体（掺入少量的5价磷元素P）---形成共价键后多出一个自由电子

       2、P型半导体（掺入少量3价硼元素B）----形成共价键后多出一个空穴，导电能力增强

多子与少子

多数载流子是半导体物理的概念，对于杂质半导体,N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴称为多数载流子 (简称多子)，而N型半导体中的空穴和P型半导体中的电子称为少数载流子 (简称少子)。

N型半导体中的电子为多数载流子，而自由电子带负电，nagative，因此称为N型，

P型半导体中的空穴为多数载流子，而空穴带正电，positive，因此称为P型

   与多子相关的特性受温度影响较小，因为，多子原来的数量（如自由电子）是受温度影响而产生的数量的n倍，而与少子相关的特性受温度影响较大。

PN结

P型半导体天涯N型半导体放在一起形成半导体。

 

PN结的形成：

多子的扩散运动-----N区的自由电子向P区流动，P区的空穴向N区移动，会发生复合

空间电荷区--------耗尽层、阻控层（空间电场，阻止后续的扩散）、PN结（连接点）

少子的漂移运动----与多子的扩散运动形成动态平衡

对称结、不对称结----参杂-浓度相同PN结对称，否则不对称

PN结的单向导电性

------外加正向电压

       外电场削弱了内电场，使其恢复扩散运动，电流迅速增大，但电流增大太快对电路有损害，因此需要一个电阻来限流保护电路。

-------外加反向电压

     外电场与内电场方向相同，进一步阻止扩散运动，不能导电，不能实现N向P的导电，因此为单向导电性，但少子的漂移运动会增强，但电流依旧微弱。

可以得出PN结的伏安特性如下

PN结的电流方程：

 VT一般室温下为26mV

      中间为死区，右边为正向特性，左边为反向饱和电流与反向击穿电压，Ubr对应的电压为反向击穿电压。

     反向击穿有雪崩击穿（PN结宽）、齐纳击穿（PN结窄），

     温度越高，雪崩击穿所需的击穿温度越高，齐纳击穿所需的击穿温度越低。

    反向击穿会引起PN结温度升高，可能引起二次击穿，通过控制参杂浓度的大小可以控制反向击穿电压的大小，根据反向击穿的原理制作成稳压稳压二极管。

雪崩击穿与齐纳击穿可看下面的文章进行学习。

电磁兼容（EMC）：雪崩击穿与齐纳击穿的区别 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/488294099

电容特性为电压变化引起电荷量变化

PN结的电容特性：势垒电容（可做成可变电容）、扩散电容（非平衡少子与电压之间的关系构成）

二极管

由PN结产生了第一个半导体器件----二极管（包装PN结，引出两个极----- 封装）

结构：点接触型、面接触型

 

二极管的伏安特性

二极管的伏安特性与PN结的伏安特性几乎相同，但由于体电阻的存在，使电流比PN结小，反向电流大一些。对应下面的图像

 

   由图可知，温度升高时，正向特性向左移，反向特性向下移（温度升高，粒子活性大，电流大）。室温下，每升高1摄氏度，正向压降减小2-2.5mv，每增加10摄氏度，反向电流增大一倍。

   二极管是第一个可以规定电流方向的器件，可以把交流变成直流，钳制电位，钳位二极管，可以让电路中某两点电压稳定在0.7V，并且电流正着流。二极管的出现具有跨时代的意义。

二极管的主要参数：If（最大整流电流）、Ur（最高反向工作电压）、Ir（反向电流）、fm（最高工作频率）（高频电路中要考虑该因素）

二极管是一个非线性电阻，对其的分析一般使用图解法、等效电路来分析，具体操作可自行查找。

二极管的等效电路：

二极管基础及等效电路分析_二极管等效电路_来世不留倾城雪的博客-CSDN博客

自行学习二极管的导通与截至的判断

二极管的应用电路：https://www.chip37.com/electronic/164.html

其他常用的二极管还有：稳压二极管、发光二极管等，可自行查询并学习

三极管（BJT）

二极管是半导体器件的开端，而三极管是实现完全替代电子管的器件，实现与电子管相同的放大作用，完成取代。

 

        三个不同的掺杂区，三个电极，两个PN结，基区与发射结之间的结称为发射结，基区与集电极之间的结称为集电结。

发射区-----emiter，发射载流子的区，掺杂浓度高

集电区----collect，收集载流子的区，面积较大，掺杂浓度不高

基区-----basic，一个控制区

       放大作用，原理：Ic/Ib=常数------共射放大电路（发射结正偏，集电极反偏）

       发射结正偏---发射区自由电子向基区扩散，基区的空穴向发射区扩散（IEP+IEN，IEN为主流），集电区收集电子，

IB=IBN(复合）+IEP(多子扩散）-ICBO(少子漂移）≈IBN

对上图的进一步理解可学习该文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/70283695

三极管的进一步学习：https://zhuanlan.zhihu.com/p/519072786

BJT的特性曲线：https://zhuanlan.zhihu.com/p/577741554

场效应管（FZT）

      场效应管，目前使用最广，优点是不费电，消耗的功率低。功率原是集成电路的瓶颈之一，场效应管突破了这个瓶颈。

      场效应晶体管的导电只有多子的参与，温度稳定性高。

类型主要有：结型场效应管、绝缘栅型场效应管（MOSFET）

绝缘栅型场效应管，又称金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，即MOS管，以此为基础出现了COMS管。

以N沟道增强型MOS管为例。

       g栅极（控制极），s源极（载流子的源泉），d漏极（载流子的漏出处），可实现放大和开关作用。N沟道型，栅极绝缘，源极、漏极之间需要沟道导通。

增强型----一开始没有沟道，Ugs增大到一定值时，沟道开启。

耗尽型-----加一个正极板，一开始就有沟道，加电压到某个值时，沟道关闭。

工作原理

        Uds=0.Ugs>0，把空穴除走，把电场内的少子（自由电子吸上去形成了沟道，因为沟道由电子组成，为负电荷，即nagative，因此称为N沟道）

Ugs越高，沟道越宽，Ugs越小，沟道越窄。沟道的宽窄影响ds之间的电流的大小，越窄电流越小，电阻越大，以此类推，类似于电压控制的可变电阻器。

  沟道的形成，看开启电压、预夹断，（可变电阻区，恒流区等）

MOS管的三个工作区：http://www.kiaic.com/article/detail/1729.html

半导体器件：二极管、三极管（双极型晶体管）、场效应晶体管

基本特性、基本使用（工作方式）

主要作用：放大、开关

主要学习其对应的放大作用

电路的设计方法、设计原理（从基本特性出发）