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全新的半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

jf_51741689 ? 來(lái)源:jf_51741689 ? 作者:jf_51741689 ? 2024-09-20 11:30 ? 次閱讀

全新的半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

周金富

摘 要

《全新的半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)》首先對(duì)流行于電子書(shū)刊上數(shù)十年之久的經(jīng)典半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)中存在的謬誤進(jìn)行了全方位的討論,然后以半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為抓手,以G型半導(dǎo)體(客供電子型半導(dǎo)體)、H型半導(dǎo)體(主供電子型半導(dǎo)體)和HG結(jié)為重點(diǎn),詳細(xì)敘述了作者經(jīng)過(guò)數(shù)年潛心研究后提出的完全能夠解釋得通的且合理可信的全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),最后通過(guò)對(duì)常見(jiàn)半導(dǎo)體器件工作原理的解讀,證實(shí)全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)的合理性和可信性。

關(guān) 鍵 詞

半導(dǎo)體 半導(dǎo)體理論 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 全新半導(dǎo)體理論

正 文

正文目錄

第一部分 對(duì)經(jīng)典半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)的討論3

1.“自由電子”問(wèn)題3

2.“空穴”問(wèn)題4

3.“P型半導(dǎo)體”問(wèn)題5

4.“PN結(jié)”問(wèn)題6

5.“PN結(jié)單向?qū)щ娦浴眴?wèn)題6

6.“電子越過(guò)集電結(jié)”問(wèn)題7

7.“MOS管控制導(dǎo)通電流”問(wèn)題7

第二部分 全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)9

2.1 本征半導(dǎo)體10

2.2 摻雜半導(dǎo)體11

2.2.1 G型半導(dǎo)體11

2.2.2 H型半導(dǎo)體12

2.3 HG結(jié)13

2.3.1 HG結(jié)的結(jié)構(gòu)13

2.3.2 HG結(jié)的導(dǎo)電特性13

2.3.3 HG結(jié)的工作原理14

2.4 全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用要點(diǎn)15

第三部分 用全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)解讀半導(dǎo)體器件的工作原理17

3.1 二極管17

3.1.1 二極管的結(jié)構(gòu)17

3.1.2 二極管的導(dǎo)電特性17

3.1.3 二極管的工作原理19

3.2 三極管21

3.2.1 三極管的結(jié)構(gòu)21

3.2.2 三極管的導(dǎo)電特性23

3.2.3 三極管的工作原理28

1. GHG管和HGH管的工作原理28

2. GMOS管和HMOS管的工作原理29

3.3 雪崩管33

3.3.1 雪崩管的結(jié)構(gòu)33

3.3.2 雪崩管的導(dǎo)電特性34

3.3.3 雪崩管的工作原理37

第一部分 對(duì)經(jīng)典半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)的討論

在電子技術(shù)創(chuàng)立的初期,由于對(duì)半導(dǎo)體的認(rèn)識(shí)比較膚淺,加之在猜想過(guò)程中又選擇了錯(cuò)誤的假設(shè),致使經(jīng)典的半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)中出現(xiàn)了一些或者是無(wú)中生有的、或者是邏輯混亂的、或者是自相矛盾的、或者是牽強(qiáng)附會(huì)的認(rèn)知和結(jié)論,這些錯(cuò)誤的認(rèn)知和結(jié)論,不僅對(duì)教師的講授和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)了很大的困惑,而且還因與正確的半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)不符而對(duì)開(kāi)發(fā)制造半導(dǎo)體器件失去了指導(dǎo)意義。

綜合本人在教學(xué)中的發(fā)現(xiàn)和電子業(yè)界中許多專家學(xué)者發(fā)表在互聯(lián)網(wǎng)上的文獻(xiàn)資料,數(shù)十年來(lái)流行于當(dāng)今電子技術(shù)書(shū)籍上的經(jīng)典半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)中主要在自由電子、空穴、P型半導(dǎo)體、PN結(jié)、PN結(jié)單向?qū)щ娦?、電子越過(guò)集電結(jié)、MOS管控制導(dǎo)通電流這7個(gè)方面存在錯(cuò)誤的認(rèn)知或錯(cuò)誤的結(jié)論,下面我們依據(jù)原子理論、電學(xué)理論、化學(xué)理論和相關(guān)電子技術(shù)文獻(xiàn)中已經(jīng)公認(rèn)的知識(shí)點(diǎn)對(duì)這7個(gè)方面存在的問(wèn)題進(jìn)行逐一的剖析和討論。

1.“自由電子”問(wèn)題

疑點(diǎn):在溫度、光照、電場(chǎng)力等外力作用時(shí),半導(dǎo)體中原子上的價(jià)電子很容易脫離自身的運(yùn)行軌道而成為自由電子。

討論:嚴(yán)格來(lái)說(shuō),半導(dǎo)體有3種——四價(jià)的本征半導(dǎo)體、四價(jià)本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素的摻雜半導(dǎo)體和四價(jià)本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素的摻雜半導(dǎo)體,化學(xué)分析研究證實(shí),這3種半導(dǎo)體中的原子排列結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)所示。

圖1可以看出,本征半導(dǎo)體中的原子上只有一種受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子,而摻雜半導(dǎo)體中的原子上除了有受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子以外還有一種只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子,由此我們可以得知,在溫度、光照、電場(chǎng)力等外力作用于半導(dǎo)體時(shí):

①把受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子拉出價(jià)電子軌道所需的外力非常大,而把只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子拉出價(jià)電子軌道所需的外力卻比較小。

②正因?yàn)榘咽茉雍撕凸矁r(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子拉出價(jià)電子軌道所需的外力遠(yuǎn)大于把只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子拉出價(jià)電子軌道所需的外力,所以半導(dǎo)體中的自由電子實(shí)際都是被外力拉出來(lái)的只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子。

③在同等大小的外力作用于半導(dǎo)體時(shí),本征半導(dǎo)體中能拉出來(lái)的價(jià)電子數(shù)量是微乎其微到接近于零的,而摻雜半導(dǎo)體中能拉出來(lái)的價(jià)電子數(shù)量卻是非常龐大的——摻雜半導(dǎo)體中能夠出現(xiàn)的自由電子數(shù)量是本征半導(dǎo)體中能夠出現(xiàn)的自由電子數(shù)量的幾十萬(wàn)倍甚至幾百萬(wàn)倍。

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圖1 3種半導(dǎo)體中的原子排列結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)論:半導(dǎo)體中只有只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子能被拉出價(jià)電子軌道而成為自由電子!絕不可以錯(cuò)誤地認(rèn)為受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子也能被拉出價(jià)電子軌道而成為自由電子!

2. “空穴”問(wèn)題

疑點(diǎn):摻雜半導(dǎo)體中存在空穴、空穴帶正電、空穴是運(yùn)載電荷的載流子。

討論:我們先來(lái)討論一下?lián)诫s半導(dǎo)體中到底有沒(méi)有“空穴”。

①?gòu)?/strong>圖1中我們可以清楚地看出:無(wú)論是在四價(jià)本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素還是在四價(jià)本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素,摻雜半導(dǎo)體中的三價(jià)元素、四價(jià)元素、五價(jià)元素都仍是完整的原子,三價(jià)雜質(zhì)元素的價(jià)電子軌道上、四價(jià)本征元素的價(jià)電子軌道上、五價(jià)雜質(zhì)元素的價(jià)電子軌道上都沒(méi)有出現(xiàn)所謂的“空穴”,所以化學(xué)分析研究為我們證明了摻雜半導(dǎo)體中并不存在所謂的“空穴”。

②原子理論明確指出:原子是由帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子組成的,原子核又是由帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷的中子組成的,原子理論的這段表述充分證明了任何原子上都不存在所謂的“空穴”。既然摻雜半導(dǎo)體中的三價(jià)元素、四價(jià)元素、五價(jià)元素都仍是完整的原子,所以原子理論也為我們證明了摻雜半導(dǎo)體中并不存在所謂的“空穴”。

我們?cè)賮?lái)看看所謂的“空穴”到底是不是帶正電,到底是不是運(yùn)載電荷的載流子。

①原子理論明確指出:原子中質(zhì)子數(shù)量等于電子數(shù)量,且每個(gè)質(zhì)子所帶電量的數(shù)值與每個(gè)電子所帶電量的數(shù)值完全相等但極性相反(質(zhì)子帶正電荷,電子帶負(fù)電荷),這樣原子對(duì)外才會(huì)呈電中性;如果一個(gè)原子上失去一個(gè)電子,那么這個(gè)原子將變成一個(gè)對(duì)外呈帶正極性電荷的正離子。這些原子理論證明,只有正離子才帶正電荷,而不是所謂的“空穴”帶正電荷!

②電學(xué)理論和原子理論都明確指出:電流都是自由電子作定向移動(dòng)形成的。這句話就已十分明確地否定了“空穴”運(yùn)載電荷的說(shuō)法;電學(xué)理論和原子理論還明確指出:電源內(nèi)部某種外力把帶負(fù)電荷的電子從正極板移向負(fù)極板,外導(dǎo)體中電場(chǎng)力把帶負(fù)電荷的電子從負(fù)極板移向正極板。這句話也充分證明了電路中只有電子在運(yùn)載電荷,而沒(méi)有所謂的“空穴”在運(yùn)載電荷。

結(jié)論:摻雜半導(dǎo)體中根本就不存在也絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)所謂的“空穴”!“摻雜半導(dǎo)體中存在空穴、空穴帶正電、空穴是運(yùn)載電荷的載流子”一說(shuō)純粹是一個(gè)無(wú)中生有憑空捏造出來(lái)的錯(cuò)誤認(rèn)知。

3. “P型半導(dǎo)體”問(wèn)題

疑點(diǎn):有P型(空穴導(dǎo)電型)和N型(電子導(dǎo)電型)兩種半導(dǎo)體;P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子。

討論:我們先來(lái)討論一下?lián)诫s半導(dǎo)體中到底有沒(méi)有P型(空穴導(dǎo)電型)半導(dǎo)體。

①當(dāng)“摻雜半導(dǎo)體中根本就不存在也絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)所謂的‘空穴’”這個(gè)結(jié)論被證明成立時(shí),“有P型(空穴導(dǎo)電型)和N型(電子導(dǎo)電型)兩種半導(dǎo)體”這個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)知也就沒(méi)有再繼續(xù)討論的必要了——摻雜半導(dǎo)體中根本就沒(méi)有空穴存在,又怎么會(huì)有P型(空穴導(dǎo)電型)半導(dǎo)體呢

②仔細(xì)觀察圖1可以發(fā)現(xiàn):摻入五價(jià)雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體中五價(jià)雜質(zhì)原子上存在一個(gè)只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子,摻入三價(jià)雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體中一部分四價(jià)本征原子上也存在一個(gè)只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子,在電場(chǎng)力作用時(shí),這兩種摻雜半導(dǎo)體中只有只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子才能夠脫離自身的運(yùn)行軌道成為自由電子并形成定向移動(dòng)的電流。顯而易見(jiàn),摻入五價(jià)雜質(zhì)元素的摻雜半導(dǎo)體和摻入三價(jià)雜質(zhì)元素的摻雜半導(dǎo)體都是電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體!既然兩種摻雜半導(dǎo)體都是電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體,怎么可能會(huì)有P型(空穴導(dǎo)電型)半導(dǎo)體存在呢?

我們?cè)賮?lái)看看所謂的P型半導(dǎo)體中“空穴”到底是不是多數(shù)載流子。

電子教科書(shū)在自己的文中非常清楚地強(qiáng)調(diào):自由電子總是與空穴結(jié)伴而生,每出現(xiàn)一個(gè)自由電子,就必然會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)空穴,這就是說(shuō),無(wú)論怎么摻雜,摻雜半導(dǎo)體中自由電子的數(shù)量永遠(yuǎn)和空穴的數(shù)量是一樣多的。既然如此,P型半導(dǎo)體中空穴怎么可能是多數(shù)載流子?N型半導(dǎo)體中電子又怎么可能是多數(shù)載流子?

結(jié)論:摻雜半導(dǎo)體中沒(méi)有P型(空穴導(dǎo)電型)半導(dǎo)體!更沒(méi)有“P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子”這一無(wú)中生有且自相矛盾的說(shuō)法!

4. “PN結(jié)”問(wèn)題

疑點(diǎn):PN結(jié)是P區(qū)空穴擴(kuò)散進(jìn)N區(qū)后在P區(qū)留下帶負(fù)電的離子、N區(qū)電子擴(kuò)散進(jìn)P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的,PN結(jié)上存在一個(gè)0.6V的內(nèi)電場(chǎng)。

討論:我們先來(lái)討論一下PN結(jié)到底是不是P區(qū)空穴擴(kuò)散進(jìn)N區(qū)后在P區(qū)留下帶負(fù)電的離子、N區(qū)電子擴(kuò)散進(jìn)P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的。

①當(dāng)“摻雜半導(dǎo)體中沒(méi)有P型(空穴導(dǎo)電型)半導(dǎo)體”這個(gè)結(jié)論被證明成立時(shí),“PN結(jié)是P區(qū)空穴擴(kuò)散進(jìn)N區(qū)后在P區(qū)留下帶負(fù)電的離子、N區(qū)電子擴(kuò)散進(jìn)P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的”這個(gè)PN結(jié)形成機(jī)理也就無(wú)法再解釋得通了——沒(méi)有了P型半導(dǎo)體,也就沒(méi)有了空穴,PN結(jié)還如何形成?

②按照電子教科書(shū)上所說(shuō)的電子與空穴復(fù)合的理論,擴(kuò)散進(jìn)N區(qū)的空穴應(yīng)該與電子復(fù)合而消失,N區(qū)這一側(cè)應(yīng)該呈電中性,怎么會(huì)出現(xiàn)帶正電的離子?同樣,擴(kuò)散進(jìn)P區(qū)的電子應(yīng)該與空穴復(fù)合而消失,P區(qū)這一側(cè)也應(yīng)該呈電中性,怎么會(huì)出現(xiàn)帶負(fù)電的離子?很顯然,用“PN結(jié)是P區(qū)空穴擴(kuò)散進(jìn)N區(qū)后在P區(qū)留下帶負(fù)電的離子、N區(qū)電子擴(kuò)散進(jìn)P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的”來(lái)解釋PN結(jié)的形成機(jī)理是自相矛盾且邏輯混亂的!

我們?cè)賮?lái)看看PN結(jié)上到底存在不存在一個(gè)0.6V的內(nèi)電場(chǎng)。

大家知道,我們只在光電管或光電池上測(cè)出過(guò)電流或電壓,但這并不能證明這就是PN結(jié)上的內(nèi)電場(chǎng),因?yàn)楣怆姽芎凸怆姵厥遣捎锰厥獾碾s質(zhì)元素和特定的工藝做出來(lái)的,并且是只有在有光照時(shí)才有隨光照強(qiáng)度變化而變化的電流或電壓出現(xiàn)。試問(wèn):有誰(shuí)在PN結(jié)上測(cè)出過(guò)內(nèi)電場(chǎng)的電壓?我用最精密的電子毫伏表也從來(lái)未測(cè)出過(guò),顯然,“PN結(jié)上存在一個(gè)0.6V的內(nèi)電場(chǎng)”是一個(gè)偽命題,完全是憑空想象出來(lái)的產(chǎn)物。

結(jié)論:用“PN結(jié)是P區(qū)空穴擴(kuò)散進(jìn)N區(qū)后在P區(qū)留下帶負(fù)電的離子、N區(qū)電子擴(kuò)散進(jìn)P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的”來(lái)解釋PN結(jié)的形成機(jī)理是解釋不通的!“PN結(jié)上存在一個(gè)0.6V的內(nèi)電場(chǎng)”更是一個(gè)無(wú)中生有憑空想象出來(lái)的錯(cuò)誤認(rèn)知!

5. “PN結(jié)單向?qū)щ娦浴眴?wèn)題

疑點(diǎn):PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦浴?/strong>

討論:雖然電子教科書(shū)上PN結(jié)的形成機(jī)理是解釋不通的,但電子教科書(shū)上所說(shuō)的“PN結(jié)反偏時(shí)有極微小的反向電流通過(guò)”、“二極管其實(shí)就是一個(gè)PN結(jié)因此二極管反偏時(shí)也有極微小的反向電流通過(guò)”、“三極管中的電子可以越過(guò)反偏的集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)”這3種情況倒是都是事實(shí),這些事實(shí)都證明PN結(jié)反偏時(shí)是有反向電流通過(guò)的。既然PN結(jié)反偏時(shí)是有反向電流通過(guò)的即PN結(jié)反偏時(shí)是反向?qū)ǖ?,為何偏要把PN結(jié)說(shuō)成是具有單向?qū)щ姷奶匦阅兀?/strong>

結(jié)論:“PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦浴笔且粋€(gè)牽強(qiáng)附會(huì)且邏輯混亂的結(jié)論!

6. “電子越過(guò)集電結(jié)”問(wèn)題

疑點(diǎn):電子越過(guò)反向偏置的集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)。

討論:按照電子教科書(shū)上的結(jié)論,PN結(jié)具有正偏時(shí)導(dǎo)通反偏時(shí)截止的單向?qū)щ娦?,既然如此,怎么三極管上的PN結(jié)反偏時(shí)卻能導(dǎo)通了呢?難道是二極管中的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦远龢O管中的PN結(jié)是具有雙向?qū)щ娦缘模炕蛘呔腿龢O管本身來(lái)說(shuō),發(fā)射區(qū)與基區(qū)構(gòu)成的PN結(jié)具有正偏時(shí)導(dǎo)通反偏時(shí)截止的單向?qū)щ娦裕鶇^(qū)與集電區(qū)構(gòu)成的PN結(jié)卻具有反偏時(shí)導(dǎo)通正偏時(shí)截止的單向?qū)щ娦??這不是前后自相矛盾嗎?

結(jié)論:“電子越過(guò)反向偏置的集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)”這個(gè)說(shuō)法與“PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦浴边@個(gè)結(jié)論是自相矛盾的。

7. “MOS管控制導(dǎo)通電流”問(wèn)題

疑點(diǎn):MOS管是利用導(dǎo)電溝道中感應(yīng)電荷的多少來(lái)控制導(dǎo)通電流的大小的。

討論:這里我們依據(jù)圖2(a)所示的電子教科書(shū)上用于解釋工作原理的MOS管的結(jié)構(gòu)圖和圖2(b)所示集成電路中實(shí)際MOS管的結(jié)構(gòu)圖來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。

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圖2 MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)際結(jié)構(gòu)圖

按照電子教科書(shū)上用于解釋MOS管工作原理的MOS管結(jié)構(gòu)圖,襯底電極U與絕緣層上柵極電極G是相對(duì)平行的,這樣對(duì)PMOS管來(lái)說(shuō),電場(chǎng)力就可以使柵極的對(duì)面感應(yīng)出帶負(fù)電荷的反型層從而形成導(dǎo)電溝道,電場(chǎng)力越強(qiáng),導(dǎo)電溝道就越寬,導(dǎo)通電流也就越大;而對(duì)于NMOS管來(lái)說(shuō),電場(chǎng)力就可以使柵極的對(duì)面感應(yīng)出帶正電荷的反型層從而形成導(dǎo)電溝道,電場(chǎng)力越強(qiáng),導(dǎo)電溝道就越寬,導(dǎo)通電流也就越大,這樣解釋MOS管的工作原理似乎也合理。但現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是:第一,集成電路中實(shí)際MOS管的結(jié)構(gòu)圖中,MOS管的襯底電極U與絕緣層上柵極電極G并不是相對(duì)平行的,試問(wèn)這種結(jié)構(gòu)是如何在柵極的對(duì)面感應(yīng)出反型層的?第二,電子教科書(shū)上說(shuō)P型半導(dǎo)體中幾乎沒(méi)有自由電子、N型半導(dǎo)體中幾乎沒(méi)有空穴,那么,怎么可能在P型半導(dǎo)體中感應(yīng)出由電子組成的導(dǎo)電溝道、其電子又是從哪里來(lái)的?又怎么可能在N型半導(dǎo)體中感應(yīng)出由空穴組成的導(dǎo)電溝道、其空穴又是從哪里來(lái)的?由此看來(lái),用感應(yīng)電荷形成導(dǎo)電溝道來(lái)解釋MOS管工作原理也是十分牽強(qiáng)而無(wú)說(shuō)服力的!

結(jié)論:“MOS管是利用導(dǎo)電溝道中感應(yīng)電荷的多少來(lái)控制導(dǎo)通電流的大小的”這個(gè)認(rèn)知也是一個(gè)憑空想象出來(lái)的牽強(qiáng)附會(huì)的認(rèn)知。

綜合上述的剖析我們可以看出,無(wú)中生有、牽強(qiáng)附會(huì)、邏輯混亂的錯(cuò)誤認(rèn)知和錯(cuò)誤結(jié)論已經(jīng)使經(jīng)典半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)成了一套自相矛盾難圓其說(shuō)且難以讓人信服的理論,不僅僅是電子業(yè)界中的專家學(xué)者們就連一些電子教師們甚至初涉電子技術(shù)的莘莘學(xué)子們都對(duì)經(jīng)典半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)提出了強(qiáng)烈的質(zhì)疑。面對(duì)此情此景,置身于電子業(yè)界中的我們?cè)撛趺醋??本人按照“提出質(zhì)疑→大膽猜想→設(shè)法證明”的科學(xué)發(fā)現(xiàn)(或科學(xué)發(fā)明)規(guī)則,上下求索、苦苦思考,悟出了一套完全能夠解釋得通的且合理可信的全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)。

第二部分 全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

自然界中的物質(zhì)按導(dǎo)電能力來(lái)劃分,可以分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。電阻率小于的物質(zhì)稱為導(dǎo)體,導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很好;電阻率大于的物質(zhì)稱為絕緣體,絕緣體的導(dǎo)電能力極差;電阻率在之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體,半導(dǎo)體(嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)是摻雜半導(dǎo)體)的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。

導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體都是同一自然界的物質(zhì),為什么卻具有不同的導(dǎo)電能力呢?回答這個(gè)問(wèn)題需從化學(xué)理論、原子理論和電學(xué)理論說(shuō)起。

化學(xué)分析結(jié)果告訴我們:物質(zhì)是由分子組成的,分子又是由原子組成的,而原子則是由帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的原子核組成的,由于電荷具有異性相吸同性相斥的特性,因此在原子核的吸引力作用下,電子總是按照既定的空間結(jié)構(gòu)分層排列在原子核的周圍。原子最外層的電子稱為價(jià)電子,一個(gè)原子有幾個(gè)價(jià)電子,該原子就稱為幾價(jià)元素。

物質(zhì)的分子中,原子排列得非常緊密(原子間距約為),這就使得每個(gè)價(jià)電子除了受到自身原子核的吸引力外,還將受到鄰近原子核的吸引力,于是就出現(xiàn)了兩個(gè)相鄰原子共用一對(duì)價(jià)電子這一特殊現(xiàn)象,顯然這一對(duì)價(jià)電子是把相鄰兩原子緊密聯(lián)系在一起的紐帶,化學(xué)理論中把這條紐帶稱為共價(jià)鍵。一個(gè)原子有幾個(gè)價(jià)電子,就有幾條共價(jià)鍵與相鄰的幾個(gè)原子聯(lián)系,顯而易見(jiàn),一個(gè)原子的共價(jià)鍵越多,分子結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定,價(jià)電子也就越不容易脫離自身的運(yùn)行軌道,反之,一個(gè)原子的共價(jià)鍵越少,分子結(jié)構(gòu)就越不穩(wěn)定,價(jià)電子也就越容易脫離自身的運(yùn)行軌道。研究和實(shí)驗(yàn)證明:由于價(jià)電子既受原子核的束縛同時(shí)又受共價(jià)鍵的束縛,所以只有在足夠大的電場(chǎng)力作用時(shí),價(jià)電子才能脫離自身的運(yùn)行軌道而成為無(wú)規(guī)律自由運(yùn)動(dòng)的自由電子,一旦電場(chǎng)力消失,自由電子又會(huì)被離其最近的正離子(失去價(jià)電子的原子稱為正離子)吸引而回歸到價(jià)電子軌道上。

電學(xué)理論告訴我們:電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)中,帶負(fù)電荷的自由電子會(huì)從電位低的地方向電位高的地方產(chǎn)生定向移動(dòng)。帶負(fù)電荷的自由電子從電位低的地方向電位高的地方作定向移動(dòng)稱為形成電子流,電子流移動(dòng)的反方向規(guī)定為電流的方向。研究和實(shí)驗(yàn)都證明:電流都是由自由電子作定向移動(dòng)形成的。

現(xiàn)在我們來(lái)解釋導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體具有不同導(dǎo)電能力的原理。

由于導(dǎo)體都是低價(jià)元素,一般只有兩條甚至只有一條共價(jià)鍵,因此分子結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定,價(jià)電子很容易脫離自身運(yùn)行軌道而成為自由電子,這樣在電場(chǎng)力作用下,大量的自由電子就會(huì)后浪推前浪般的群體定向移動(dòng),從而形成很大的電流,故導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很好。

由于絕緣體都是高價(jià)元素,一般都有7條甚至8條共價(jià)鍵,因此分子結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定,價(jià)電子很難脫離自身的運(yùn)行軌道,這樣在電場(chǎng)力作用下,幾乎就沒(méi)有自由電子作定向移動(dòng),自然也就無(wú)法形成電流,故絕緣體的導(dǎo)電能力極差。

由于半導(dǎo)體都是四價(jià)元素,具有4條共價(jià)鍵,因此分子結(jié)構(gòu)既不象導(dǎo)體那樣極不穩(wěn)定又不象絕緣體那樣極其穩(wěn)定,但這種特殊結(jié)構(gòu)卻很容易被通過(guò)摻雜來(lái)改變,摻雜后的半導(dǎo)體中容易脫離自身運(yùn)行軌道的價(jià)電子數(shù)量可以增加到既不象導(dǎo)體那樣多又不象絕緣體那樣少,這樣在電場(chǎng)力作用下,作定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量只能是多于絕緣體而少于導(dǎo)體,從而形成不同大小的電流,故半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。

半導(dǎo)體到底有什么用途?其工作機(jī)理又是怎樣的呢?下面我們?cè)敿?xì)討論這個(gè)問(wèn)題。

2.1本征半導(dǎo)體

未經(jīng)提純的含有無(wú)用雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體沒(méi)有實(shí)用意義,必須將其進(jìn)行99.9999999%的提純并拉制成具有完整晶體結(jié)構(gòu)的硅棒后,才具有實(shí)用價(jià)值。

純凈的具有完整單晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體,目前應(yīng)用最為廣泛的本征半導(dǎo)體是由硅棒切成的硅片(俗稱晶圓)。本征半導(dǎo)體是制造各種半導(dǎo)體器件所必需的基礎(chǔ)材料。硅本征半導(dǎo)體的原子空間結(jié)構(gòu)圖和原子排列結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

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圖3 硅本征半導(dǎo)體的原子空間結(jié)構(gòu)圖和原子排列結(jié)構(gòu)示意圖

本征半導(dǎo)體中,由于硅原子上有4個(gè)價(jià)電子,因此每個(gè)硅原子都有4條共價(jià)鍵與相鄰的4個(gè)硅原子聯(lián)系,這樣一來(lái),所有價(jià)電子的運(yùn)行軌道就被共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)成了一張“價(jià)電子網(wǎng)”,現(xiàn)代半導(dǎo)體理論把這張“價(jià)電子網(wǎng)”稱為價(jià)帶,而把價(jià)帶以外的區(qū)域也就是原子間的空隙部分稱為導(dǎo)帶。

本征半導(dǎo)體中,由于價(jià)電子受到原子核和共價(jià)鍵的雙重束縛,故外力(特強(qiáng)的電場(chǎng)力除外)很難使價(jià)電子脫離自身的運(yùn)行軌道,這就使得本征半導(dǎo)體中無(wú)法出現(xiàn)自由電子,在電場(chǎng)力作用時(shí)自然也就無(wú)法形成電流,因此本征半導(dǎo)體的電阻率高達(dá),即導(dǎo)電能力與絕緣體差不多。

上述對(duì)本征半導(dǎo)體的分析研究使我們清醒地認(rèn)識(shí)到,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力之所以與絕緣體差不多,主要原因就在于本征半導(dǎo)體中沒(méi)有很容易脫離自身運(yùn)行軌道的價(jià)電子,那么,有什么辦法能使本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)很容易脫離自身運(yùn)行軌道的價(jià)電子,從而改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力呢?科學(xué)家們想到了在本征半導(dǎo)體中摻入有用雜質(zhì)元素的方法。

2.2摻雜半導(dǎo)體

所謂摻雜,就是根據(jù)需要采用特定的工藝把特定的微量高純度雜質(zhì)元素注入并擴(kuò)散到本征半導(dǎo)體中。摻入微量有用雜質(zhì)元素后的本征半導(dǎo)體稱為摻雜半導(dǎo)體。

2.2.1 G型半導(dǎo)體

若在四價(jià)的本征半導(dǎo)體中摻入千萬(wàn)分之一到百萬(wàn)分之一的高純度五價(jià)雜質(zhì)元素,這些雜質(zhì)原子將均勻地分布在本征原子間并與本征原子進(jìn)行有規(guī)律的重新組合,則這塊本征半導(dǎo)體就變成了摻雜半導(dǎo)體。當(dāng)1個(gè)五價(jià)雜質(zhì)原子與4個(gè)四價(jià)本征原子結(jié)合起來(lái)時(shí),雜質(zhì)原子上就會(huì)有1個(gè)價(jià)電子出現(xiàn)在價(jià)電子軌道上遠(yuǎn)離共價(jià)鍵的地方,由于這個(gè)價(jià)電子雖受五價(jià)原孒核束縛但卻不受共價(jià)鍵束縛,因此極易脫離自身的運(yùn)行軌道而成為自由電子,我們把受原孒核束縛但不受共價(jià)鍵束縛的價(jià)電子稱為易脫價(jià)電子,同時(shí)把由雜質(zhì)原子提供易脫價(jià)電子的摻雜半導(dǎo)體稱為客供(Guest provides)電子型半導(dǎo)體,并簡(jiǎn)稱為G型半導(dǎo)體。

G型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖和電子移動(dòng)示意圖如圖4所示。

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圖4 G型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖和電子移動(dòng)示意圖

G型半導(dǎo)體中,本征原子的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)原子的結(jié)構(gòu)都沒(méi)有發(fā)生變化,仍然都是完整的原子,價(jià)雜質(zhì)原子的價(jià)電子軌道上仍然只有5個(gè)價(jià)電子,四價(jià)本征原子的價(jià)電子軌道上仍然只有4個(gè)價(jià)電子,唯一發(fā)生變化的就是每個(gè)價(jià)雜質(zhì)原子的價(jià)電子軌道上有1個(gè)價(jià)電子變成了只受原孒核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的易脫價(jià)電子。

G型半導(dǎo)體中,本征原子上以及雜質(zhì)原子上受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子在電場(chǎng)力作用時(shí)都很難脫離自身的運(yùn)行軌道,故都不參與導(dǎo)電,只有價(jià)雜質(zhì)原子上只受原孒核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的易脫價(jià)電子在電場(chǎng)力作用時(shí)會(huì)很容易地脫離自身的運(yùn)行軌道而成為自由電子,并從電位低的地方向電位高的地方作定向移動(dòng)而形成電流。顯而易見(jiàn),G型半導(dǎo)體中的電流是電場(chǎng)力把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子后作定向移動(dòng)形成的,因此G型半導(dǎo)體是一種由雜質(zhì)原子提供易脫價(jià)電子的電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體。

摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力用電阻率來(lái)表征,而電阻率的大小則與摻雜濃度n和自由電子遷移率的乘積n成反比,即

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對(duì)于G型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō),由于摻入五價(jià)質(zhì)元素后,易脫價(jià)電子是由雜質(zhì)原子提供的,本征原子中并沒(méi)有出現(xiàn)正離子,故使整個(gè)導(dǎo)帶呈現(xiàn)出電中性,不會(huì)對(duì)在導(dǎo)帶中移動(dòng)的帶負(fù)電荷的自由電子產(chǎn)生吸引力,這將有利于在本征原子間移動(dòng)的自由電子的遷移率。很顯然,我們只要把摻入五價(jià)雜質(zhì)元素的濃度精確地控制在千萬(wàn)分之一到百萬(wàn)分之一之間,就能夠把G型半導(dǎo)體的電阻率控制在~的范圍內(nèi)。

2.2.2 H型半導(dǎo)體

若在四價(jià)的本征半導(dǎo)體中摻入千萬(wàn)分之一到百萬(wàn)分之一的高純度三價(jià)雜質(zhì)元素,這些雜質(zhì)原子將均勻地分布在本征原子間并與本征原子進(jìn)行有規(guī)律的重新組合,則這塊本征半導(dǎo)體也變成了摻雜半導(dǎo)體。當(dāng)1個(gè)三價(jià)雜質(zhì)原子與4個(gè)四價(jià)本征原子結(jié)合起來(lái)時(shí),其中一個(gè)本征原子上就會(huì)有1個(gè)價(jià)電子出現(xiàn)在價(jià)電子軌道上遠(yuǎn)離共價(jià)鍵的地方,由于這個(gè)價(jià)電子雖受四價(jià)原孒核束縛但卻不受共價(jià)鍵束縛,因此極易脫離自身的運(yùn)行軌道而成為自由電子,我們把由本征原子提供易脫價(jià)電子的摻雜半導(dǎo)體稱為主供(Host provides)電子型半導(dǎo)體,并簡(jiǎn)稱為H型半導(dǎo)體。

H型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖和電子移動(dòng)示意圖如圖5所示。

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圖5 H型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖和電子移動(dòng)示意圖

(圖4和圖5中的空心小圓圈僅表示被拉走成為自由電子的價(jià)電子原來(lái)所在的位置)

H型半導(dǎo)體中,本征原子的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)原子的結(jié)構(gòu)都沒(méi)有發(fā)生變化,仍然都是完整的原子,三價(jià)雜質(zhì)原子的價(jià)電子軌道上仍然只有3個(gè)價(jià)電子,價(jià)本征原子的價(jià)電子軌道上仍然只有4個(gè)價(jià)電子,唯一發(fā)生變化的就是部分價(jià)本征原子的價(jià)電子軌道上有1個(gè)價(jià)電子變成了只受原孒核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的易脫價(jià)電子。

H型半導(dǎo)體中,本征原子上以及雜質(zhì)原子上受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子在電場(chǎng)力作用時(shí)都很難脫離自身的運(yùn)行軌道,故都不參與導(dǎo)電,只有部分價(jià)本征原子上只受原孒核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的易脫價(jià)電子在電場(chǎng)力作用時(shí)會(huì)很容易地脫離自身的運(yùn)行軌道而成為自由電子,并從電位低的地方向電位高的地方作定向移動(dòng)而形成電流。顯而易見(jiàn),H型半導(dǎo)體中的電流也是電場(chǎng)力把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子后作定向移動(dòng)形成的,因此H型半導(dǎo)體是一種由本征原子提供易脫價(jià)電子的電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體。

對(duì)于H型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō),由于摻入三價(jià)雜質(zhì)元素后,易脫價(jià)電子是由本征原子提供的,因而在本征原子中出現(xiàn)了大量的正離子,這些正離子不僅使整個(gè)導(dǎo)帶呈現(xiàn)出正極性,正離子所帶的正電荷還將對(duì)在導(dǎo)帶中移動(dòng)的帶負(fù)電荷的自由電子產(chǎn)生吸引力,這將不利于在本征原子間移動(dòng)的自由電子的遷移率。很顯然,我們只要把摻入三價(jià)雜質(zhì)元素的濃度精確地控制在千萬(wàn)分之一到百萬(wàn)分之一之間,就能夠把H型半導(dǎo)體的電阻率控制在~的范圍內(nèi)。

2.3HG結(jié)

2.3.1 HG結(jié)的結(jié)構(gòu)

先把片狀硅本征半導(dǎo)體摻雜成較高濃度的H型半導(dǎo)體,再把H型半導(dǎo)體上的一部分摻雜成較高濃度的G型半導(dǎo)體,或者先把片狀硅本征半導(dǎo)體摻雜成較高濃度的G型半導(dǎo)體,再把G型半導(dǎo)體上的一部分摻雜成較高濃度的H型半導(dǎo)體,這樣就得到了一個(gè)H型半導(dǎo)體與G型半導(dǎo)體的結(jié)合體。

把H型半導(dǎo)體的一部分摻雜成G型半導(dǎo)體或者把G型半導(dǎo)體的一部分摻雜成H型半導(dǎo)體所得到的H型半導(dǎo)體與G型半導(dǎo)體的結(jié)合體稱為HG結(jié)。

HG結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

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圖6 HG結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 HG結(jié)的導(dǎo)電特性

對(duì)于HG結(jié),我們?cè)谶@里強(qiáng)調(diào):

①HG結(jié)的導(dǎo)電特性除必須考慮導(dǎo)通和截止兩種工作狀態(tài)以及必須考慮導(dǎo)通與截止的條件分別是什么外,還必須考慮導(dǎo)通程度的深淺。

②只有自由電子從一個(gè)區(qū)域向緊鄰的另一個(gè)區(qū)域作定向移動(dòng)時(shí),我們才能認(rèn)為HG結(jié)是處于導(dǎo)通狀態(tài)的,否則就認(rèn)為HG結(jié)是處于截止?fàn)顟B(tài)的。

③給HG結(jié)外加電壓時(shí),有兩種連接方式:第一種接法是H型區(qū)接直流電壓的正極端G型區(qū)接直流電壓的負(fù)極端,人們把H型區(qū)接直流電壓的正極端G型區(qū)接直流電壓的負(fù)極端這種連接方式稱為給HG結(jié)加正向偏置電壓,簡(jiǎn)稱為正偏;第二種接法是G型區(qū)接直流電壓的正極端H型區(qū)接直流電壓的負(fù)極端,人們把G型區(qū)接直流電壓的正極端H型區(qū)接直流電壓的負(fù)極端這種連接方式稱為給HG結(jié)加反向偏置電壓,簡(jiǎn)稱為反偏。

現(xiàn)在我們通過(guò)圖7所示的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)探尋HG結(jié)的導(dǎo)電特性。

我們先把HG結(jié)的H型區(qū)接直流電壓的正極端、G型區(qū)接直流電壓的負(fù)極端,從實(shí)驗(yàn)中得知:當(dāng)正偏電壓<0.5V時(shí),HG結(jié)中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)HG結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)正偏電壓≥0.5V時(shí),HG結(jié)中開(kāi)始出現(xiàn)正向電流并隨著正偏電壓的增大而增大,此時(shí)HG結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。

我們?cè)侔袶G結(jié)的G型區(qū)接直流電壓的正極端、H型區(qū)接直流電壓的負(fù)極端,從實(shí)驗(yàn)中得知:當(dāng)反偏電壓<0.5V時(shí),HG結(jié)中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)HG結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)反偏電壓≥0.5V時(shí),HG結(jié)中開(kāi)始出現(xiàn)反向電流并隨著反偏電壓的增大而增大,此時(shí)HG結(jié)處于反向?qū)顟B(tài)。

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圖7 探尋HG結(jié)導(dǎo)電特性的實(shí)驗(yàn)電路

換用不同摻雜濃度的HG結(jié)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),我們總結(jié)出的HG結(jié)的導(dǎo)電特性是:

①HG結(jié)有三種工作狀態(tài)——截止?fàn)顟B(tài)、正向?qū)顟B(tài)和反向?qū)顟B(tài)。當(dāng)HG結(jié)上加<0.5V的正偏電壓時(shí)以及加<0.5V的反偏電壓時(shí)截止、加≥0.5V的正偏電壓且低電位區(qū)域存在易脫價(jià)電子時(shí)正向?qū)?、加?.5V的反偏電壓且低電位區(qū)域存在易脫價(jià)電子時(shí)反向?qū)ā?/strong>

②HG結(jié)導(dǎo)通后,導(dǎo)通電流隨偏置電壓的變化而變化,即偏置電壓變大時(shí)導(dǎo)通電流也變大、偏置電壓變小時(shí)導(dǎo)通電流也變小。

2.3.3 HG結(jié)的工作原理

仔細(xì)分析HG結(jié)的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電特性可以讓我們認(rèn)識(shí)到:HG結(jié)是利用“當(dāng)偏置電壓足夠大時(shí),HG結(jié)中低電位區(qū)域的易脫價(jià)電子將被電場(chǎng)力拉到導(dǎo)帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動(dòng)”這一原理進(jìn)行工作的。

HG結(jié)上加<0.5V的正偏電壓時(shí),雖然G型區(qū)中有大量的易脫價(jià)電子,但由于此時(shí)電場(chǎng)力太小還無(wú)力把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,故沒(méi)有自由電子可移動(dòng),或者是由于此時(shí)電場(chǎng)力較小只夠把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,卻無(wú)力去移動(dòng)G型區(qū)中的自由電子,所以HG結(jié)中沒(méi)有電流通過(guò)。

當(dāng)HG結(jié)上所加的正偏電壓≥0.5V時(shí),由于G型區(qū)中存在大量的易脫價(jià)電子,電場(chǎng)力又已具備了把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子的能力并有余力去移動(dòng)G型區(qū)中的自由電子,所以G型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型區(qū),從而使HG結(jié)中有較大的正向電流通過(guò)。

HG結(jié)上加<0.5V的反偏電壓時(shí),雖然H型區(qū)中有大量的易脫價(jià)電子,但由于此時(shí)電場(chǎng)力太小還無(wú)力把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,故沒(méi)有自由電子可移動(dòng),或者是由于此時(shí)電場(chǎng)力較小只夠把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,卻無(wú)力去移動(dòng)H型區(qū)中的自由電子,所以HG結(jié)中沒(méi)有電流通過(guò)。

當(dāng)HG結(jié)上所加的反偏電壓≥0.5V時(shí),由于H型區(qū)中存在大量的易脫價(jià)電子,電場(chǎng)力又已具備了把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子的能力并有余力去移動(dòng)H型區(qū)中的自由電子,所以H型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型區(qū),從而使HG結(jié)中有較大的反向電流通過(guò)。

HG結(jié)的電流大小,是由摻雜濃度的高低和偏置電壓的大小共同決定的。摻雜濃度越高,產(chǎn)生的易脫價(jià)電子數(shù)量就越多,能產(chǎn)生定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量也就越多,則形成的電流也就越大,反之,摻雜濃度越低,產(chǎn)生的易脫價(jià)電子數(shù)量就越少,能產(chǎn)生定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量也就越少,則形成的電流也就越??;由于能把多少易脫價(jià)電子變成自由電子以及能使多少自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng)都是由電場(chǎng)力的大小來(lái)決定的,而電場(chǎng)力的大小則是由偏置電壓的大小決定的,因此HG結(jié)導(dǎo)通后,偏置電壓越大,產(chǎn)生的電場(chǎng)力也越大,易脫價(jià)電子變成的自由電子數(shù)量就越多,產(chǎn)生定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量也就越多,自然是導(dǎo)通電流也越大了,反之,偏置電壓越小,產(chǎn)生的電場(chǎng)力也越小,易脫價(jià)電子變成的自由電子數(shù)量就越少,產(chǎn)生定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量也就越少,自然是導(dǎo)通電流也越小了。

至于HG結(jié)中出現(xiàn)電流即開(kāi)始導(dǎo)通的電壓閾值問(wèn)題,理論研究認(rèn)為:一方面,雖然易脫價(jià)電子不受共價(jià)鍵的束縛,但仍然受到原子核的束縛,所以只有電場(chǎng)力大于原子核的吸引力時(shí),易脫價(jià)電子才能掙脫原子核的束縛而成為自由電子;另一方面,電場(chǎng)力把易脫價(jià)電子拉入原子空隙中成為自由電子后,如果強(qiáng)度已無(wú)力再去推動(dòng)自由電子作定向移動(dòng),那么自由電子就只能作無(wú)規(guī)律的自由運(yùn)動(dòng),因此只有更高強(qiáng)度的電場(chǎng)力才能使自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng)。由此可知,要使易脫價(jià)電子掙脫原子核的束縛成為自由電子并產(chǎn)生定向移動(dòng),加在HG結(jié)上的電場(chǎng)力強(qiáng)度必須要足夠大,實(shí)踐證明,使硅半導(dǎo)體中易脫價(jià)電子掙脫原子核的束縛成為自由電子并產(chǎn)生定向移動(dòng)的電壓閾值為0.5V。

2.4 全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用要點(diǎn)

第一,摻雜半導(dǎo)體中,無(wú)論摻入的是三價(jià)雜質(zhì)元素還是五價(jià)雜質(zhì)元素,也無(wú)論摻雜的濃度是高還是低,摻雜半導(dǎo)體中本征原子和雜質(zhì)原子都仍然是完整的原子,整體仍呈電中性,所以無(wú)論何種外力都仍然很難把受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中參與導(dǎo)電,而只能把摻雜后才出現(xiàn)的只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中參與導(dǎo)電,很顯然,半導(dǎo)體理論和半導(dǎo)體器件理論中所說(shuō)的“電子”,指的既不是本征原子上受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子也不是雜質(zhì)原子上受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子,而所指的只是“G型半導(dǎo)體中五價(jià)雜質(zhì)原子上只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的易脫價(jià)電子以及H型半導(dǎo)體中四價(jià)本征原子上只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的易脫價(jià)電子”!因此我們?cè)趯W(xué)習(xí)研究和應(yīng)用半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)時(shí),一定要撇開(kāi)本征半導(dǎo)體而只關(guān)注摻雜半導(dǎo)體;一定要撇開(kāi)本征原子上和雜質(zhì)原子上受原子核和共價(jià)鍵雙重束縛的價(jià)電子,而只關(guān)注和討論只受原子核束縛卻不受共價(jià)鍵束縛的易脫價(jià)電子!

第二,雖然摻雜半導(dǎo)體價(jià)帶中的易脫價(jià)電子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、光照、物理力或化學(xué)力等外力作用下,都能夠被拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,但在學(xué)習(xí)研究和應(yīng)用半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)時(shí),我們必須暫緩考慮磁場(chǎng)、溫度、光照、物理力或化學(xué)力等外力對(duì)易脫價(jià)電子產(chǎn)生的影響,而只關(guān)注和討論在室溫條件下電場(chǎng)力對(duì)易脫價(jià)電子產(chǎn)生的影響,即只關(guān)注和討論沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)和有外加電場(chǎng)時(shí)易脫價(jià)電子所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象!

第三,HG結(jié)的制作方法是把H型半導(dǎo)體的一部分摻雜成G型半導(dǎo)體或者把G型半導(dǎo)體的一部分摻雜成H型半導(dǎo)體。HG結(jié)是利用“當(dāng)偏置電壓足夠大時(shí),HG結(jié)中低電位區(qū)域的易脫價(jià)電子將被電場(chǎng)力拉到導(dǎo)帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動(dòng)”這一原理進(jìn)行工作的,顯而易見(jiàn),要使HG結(jié)中出現(xiàn)電流,就必須要同時(shí)滿足“HG結(jié)上加有能產(chǎn)生足夠強(qiáng)度電場(chǎng)力的電壓”HG結(jié)中低電位區(qū)域存在易脫價(jià)電子”這兩個(gè)條件。HG結(jié)的電流大小,是由摻雜濃度的高低和偏置電壓的大小共同決定的——摻雜濃度越高,產(chǎn)生的易脫價(jià)電子數(shù)量就越多,能產(chǎn)生定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量也就越多,則形成的電流也就越大;HG結(jié)上所加偏置電壓越高,產(chǎn)生的電場(chǎng)力就越大,被拉到導(dǎo)帶中的易脫價(jià)電子數(shù)量就越多,參與定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量也就越多,則形成的電流也就越大。在制造半導(dǎo)體器件時(shí),如果我們根據(jù)需要用摻雜濃度存在差異的H型半導(dǎo)體和G型半導(dǎo)體來(lái)制作單個(gè)HG結(jié)、依次反向串聯(lián)排列的HG結(jié)組合體,那么我們就將得到一系列的導(dǎo)電特性互不相同功能作用也互不相同的半導(dǎo)體器件。這里所述的HG結(jié)的制作方法、HG結(jié)的工作原理、決定HG結(jié)中電流大小的因素和HG結(jié)的組合方式,對(duì)于開(kāi)發(fā)制造半導(dǎo)體器件具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義——在當(dāng)今電子技術(shù)和微電子技術(shù)中擔(dān)當(dāng)關(guān)鍵性核心器件的半導(dǎo)體器件,都是在HG結(jié)的基礎(chǔ)上經(jīng)演變或者組合而制造出來(lái)的,因此我們說(shuō),HG結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)構(gòu)成,沒(méi)有HG結(jié)就沒(méi)有半導(dǎo)體器件!沒(méi)有HG結(jié)就沒(méi)有當(dāng)今的電子技術(shù)和微電子技術(shù)!

第四,在集成電路制造技術(shù)中,本征半導(dǎo)體既是制作半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料,又是器件與器件之間的隔離層;摻雜濃度極高的G型半導(dǎo)體可作為電容器的極板或電感器的線圈使用,摻雜濃度在千萬(wàn)分之一到百萬(wàn)分之一之間的H型半導(dǎo)體或G型半導(dǎo)體(即由H型區(qū)或由G型區(qū)構(gòu)成的單區(qū)域半導(dǎo)體器件)可作為不同阻值的電阻器使用;而用摻雜濃度存在差異的H型半導(dǎo)體和G型半導(dǎo)體制作出的單個(gè)HG結(jié)(即由H型區(qū)‐G型區(qū)構(gòu)成的兩區(qū)域半導(dǎo)體器件)、兩個(gè)反向串聯(lián)的HG結(jié)(即由H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)或者G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)構(gòu)成的三區(qū)域半導(dǎo)體器件)、三個(gè)依次反向串聯(lián)的HG結(jié)(即由G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)構(gòu)成的四區(qū)域半導(dǎo)體器件)和四個(gè)依次反向串聯(lián)的HG結(jié)(即由H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)構(gòu)成的五區(qū)域半導(dǎo)體器件),則是當(dāng)今電子技術(shù)和微電子技術(shù)中不可或缺的關(guān)鍵性核心器件!

第三部分 用全新半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)解讀

半導(dǎo)體器件的工作原理

3.1 二極管

3.1.1 二極管的結(jié)構(gòu)

如果先把片狀硅本征半導(dǎo)體摻雜成極低濃度的H-型半導(dǎo)體,再把H-型半導(dǎo)體上的一部分摻雜成高濃度的G+型半導(dǎo)體,然后從H-型區(qū)和G+型區(qū)各引出一個(gè)電極(分立元件還需進(jìn)行封裝),那么就制造出了一只特殊的硅兩區(qū)域(H型區(qū)‐G型區(qū))半導(dǎo)體器件。

特殊的兩區(qū)域半導(dǎo)體器件通常都被人們稱為半導(dǎo)體二極管或者稱為晶體二極管,我們倡議直接簡(jiǎn)稱為二極管。

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)如圖8所示。

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圖8 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)

二極管的電路符號(hào)中,三角形表示二極管的H-型區(qū),短線段表示二極管的G+型區(qū),從H-型區(qū)和G+型區(qū)引出的電極分別稱為H極(俗稱正極)和G極(俗稱負(fù)極),三角形與H極組成的箭頭則指出了二極管中電流的方向。

3.1.2 二極管的導(dǎo)電特性

對(duì)于二極管,我們?cè)谶@里特別強(qiáng)調(diào):

由于二極管實(shí)際是一個(gè)G型區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于H型區(qū)摻雜濃度的特殊HG結(jié),因此我們?cè)谔綄ざO管的導(dǎo)電特性時(shí),除必須考慮導(dǎo)通和截止兩種工作狀態(tài)以及必須考慮導(dǎo)通與截止的條件分別是什么外,還必須考慮導(dǎo)通程度的深淺以及正向電流與反向電流之間的差異問(wèn)題。

現(xiàn)在我們通過(guò)圖9所示的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)探尋二極管的導(dǎo)電特性。

我們先把二極管的H極接直流電壓的正極端、G極接直流電壓的負(fù)極端,從實(shí)驗(yàn)中得知:當(dāng)正偏電壓<0.5V時(shí),二極管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)正偏電壓≥0.5V時(shí),二極管中開(kāi)始出現(xiàn)正向電流并隨著正偏電壓的增大而增大,此時(shí)二極管處于正向?qū)顟B(tài)。

從實(shí)驗(yàn)中還得知:當(dāng)正偏電壓≥0.65V后,盡管電源電壓仍在繼續(xù)變大,但二極管上的正向電壓降UHG卻基本保持在0.65V左右不再變化,而負(fù)載上的電壓降URL卻跟隨電源電壓的變化而變化。

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圖9 探尋二極管導(dǎo)電特性的實(shí)驗(yàn)電路

我們?cè)侔讯O管的G極接直流電壓的正極端、H極接直流電壓的負(fù)極端,從實(shí)驗(yàn)中得知:當(dāng)反偏電壓<0.5V時(shí),二極管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)反偏電壓≥0.5V時(shí),二極管中有極其微小的反向電流通過(guò),此時(shí)二極管處于反向?qū)顟B(tài)。對(duì)于加≥0.5V的反偏電壓時(shí)二極管處于反向?qū)顟B(tài)有極其微小的反向電流通過(guò)這一問(wèn)題,這里特別說(shuō)明兩點(diǎn):

①雖然二極管加≥0.5V的反偏電壓時(shí)事實(shí)上是反向?qū)ǖ?,但由于反向?qū)〞r(shí)極其微小的反向電流與正向?qū)〞r(shí)較大的正向電流相比,已經(jīng)小到完全可以忽略不計(jì)的程度,所以在當(dāng)今的業(yè)界中,人們都約定俗成地認(rèn)為:二極管加≥0.5V的反偏電壓時(shí)也是處于截止?fàn)顟B(tài)的。

②反向電流之所以極其微小,是因?yàn)镠-型區(qū)摻雜濃度極低使易脫價(jià)電子極少而造成的,其實(shí)這是制造二極管時(shí)特意這樣做的,目的就是為了讓二極管具有單向?qū)щ姷奶匦浴?/strong>

換用不同種類的二極管重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),我們總結(jié)出的二極管的導(dǎo)電特性是:

①二極管有兩種工作狀態(tài)——截止?fàn)顟B(tài)和正向?qū)顟B(tài),當(dāng)二極管上加<0.5V的正偏電壓時(shí)以及加反偏電壓時(shí)截止、加≥0.5V的正偏電壓時(shí)正向?qū)?。也就是說(shuō),二極管具有單向?qū)щ姷奶匦浴?/strong>

②二極管正向?qū)ê?,二極管上的正向電壓降基本恒定在0.65V左右。

③二極管正向?qū)ê螅O管的輸出電壓始終跟隨輸入電壓的變化而變化。

二極管兩端的電壓UHG和流過(guò)二極管的電流IHG之間的關(guān)系曲線,稱為二極管的伏安特性曲線。如果通過(guò)伏安特性曲線來(lái)了解二極管的導(dǎo)電特性,將會(huì)更加直觀明了、更加清晰易懂。圖10示出的是硅二極管的伏安特性曲線。

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圖10 硅二極管的伏安特性曲線

3.1.3 二極管的工作原理

由于二極管實(shí)際是一個(gè)特殊的HG結(jié),因此二極管是利用“當(dāng)偏置電壓足夠大時(shí),HG結(jié)中低電位區(qū)域的易脫價(jià)電子將被電場(chǎng)力拉到導(dǎo)帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動(dòng)”這一原理進(jìn)行工作的。

二極管上加<0.5V的反偏電壓時(shí),雖然H-型區(qū)中有極微量的易脫價(jià)電子,但由于此時(shí)電場(chǎng)力太小還無(wú)力把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,故沒(méi)有自由電子可移動(dòng),或者是由于此時(shí)電場(chǎng)力較小只夠把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,卻無(wú)力去移動(dòng)H-型區(qū)中的自由電子,所以二極管中沒(méi)有電流通過(guò)。

當(dāng)二極管上所加的反偏電壓≥0.5V時(shí),由于H-型區(qū)中存在極微量的易脫價(jià)電子,電場(chǎng)力又已具備了把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子的能力并有余力去移動(dòng)H-型區(qū)中的自由電子,所以H-型區(qū)中極微量的自由電子可以從電位低的H-型區(qū)移向電位高的G+型區(qū),從而使二極管中有極微小的反向電流通過(guò)。

二極管上加<0.5V的正偏電壓時(shí),雖然G+型區(qū)中有大量的易脫價(jià)電子,但由于此時(shí)電場(chǎng)力太小還無(wú)力把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,故沒(méi)有自由電子可移動(dòng),或者是由于此時(shí)電場(chǎng)力較小只夠把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,卻無(wú)力去移動(dòng)G+型區(qū)中的自由電子,所以二極管中沒(méi)有電流通過(guò)。

當(dāng)二極管上所加的正偏電壓≥0.5V時(shí),由于G+型區(qū)中存在大量的易脫價(jià)電子,電場(chǎng)力又已具備了把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子的能力并有余力去移動(dòng)G+型區(qū)中的自由電子,所以G+型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G+型區(qū)移向電位高的H-型區(qū),從而使二極管中有較大的正向電流通過(guò)。

由于二極管實(shí)際是一個(gè)G型區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于H型區(qū)摻雜濃度的特殊HG結(jié),因此二極管加≥0.5V的反偏電壓時(shí)必然是反向?qū)ǖ?,但由于反向?qū)〞r(shí)極其微小的反向電流與正向?qū)〞r(shí)較大的正向電流相比,已經(jīng)小到完全可以忽略不計(jì)的程度,所以在當(dāng)今的業(yè)界中,人們都約定俗成地認(rèn)為二極管加≥0.5V的反偏電壓時(shí)也是處于截止?fàn)顟B(tài)的,于是就有了二極管具有單向?qū)щ娦缘母拍睢?/strong>

在二極管正向?qū)ǖ某跗?,由于H-型半導(dǎo)體的電阻率較大,故二極管的正向壓降會(huì)隨著導(dǎo)通電流的增大而逐漸從0.5V增大到0.65V;當(dāng)正向壓降增加到0.65V左右時(shí),二極管已達(dá)到了深度導(dǎo)通程度,此時(shí)的H-型半導(dǎo)體的電阻率已經(jīng)很小,這就使得二極管的正向壓降隨著導(dǎo)通電流的增大而增大的幅度已不太明顯,所以二極管的正向電壓降基本恒定在0.65V左右。

至于二極管中出現(xiàn)電流即開(kāi)始導(dǎo)通的電壓閾值問(wèn)題,由于二極管實(shí)際上就是一個(gè)特殊的HG結(jié),因此二極管出現(xiàn)閾值的原理以及閾值的大小就與HG結(jié)出現(xiàn)閾值的原理以及閾值的大小是完全相同的。

通過(guò)對(duì)本征半導(dǎo)體進(jìn)行不同元素的摻雜以及不同濃度的摻雜,可制造出多種不同功能的特殊二極管,例如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光敏二極管、磁敏二極管、氣敏二極管、濕敏二極管、溫敏二極管等,有興趣者可參閱其他電子書(shū)刊作進(jìn)一步的深入了解。

3.2 三極管

在同一塊本征半導(dǎo)體上摻雜出類型不同摻雜濃度也不同的兩種半導(dǎo)體,我們制造出了具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管,那如果在同一塊本征半導(dǎo)體上摻雜出兩端是同一類型半導(dǎo)體中間是不同類型的半導(dǎo)體,我們又會(huì)得到一種具有什么樣導(dǎo)電特性的半導(dǎo)體器件呢?

3.2.1 三極管的結(jié)構(gòu)

先把片狀硅本征半導(dǎo)體摻雜成濃度極低的G型半導(dǎo)體(G型區(qū)),再把G型半導(dǎo)體的一端摻雜成濃度極高的H型半導(dǎo)體(H型1區(qū)),另一端摻雜成濃度較高的H型半導(dǎo)體(H型2區(qū)),然后從G型區(qū)和兩個(gè)H型區(qū)各引出一個(gè)電極(分立元件還需進(jìn)行封裝),這樣就制造出了一只三區(qū)域(H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū))半導(dǎo)體器件。

先把片狀硅本征半導(dǎo)體摻雜成濃度極低的H型半導(dǎo)體(H型區(qū)),再把H型半導(dǎo)體的一端摻雜成濃度極高的G型半導(dǎo)體(G型1區(qū)),另一端摻雜成濃度較高的G型半導(dǎo)體(G型2區(qū)),然后從H型區(qū)和兩個(gè)G型區(qū)各引出一個(gè)電極(分立元件還需進(jìn)行封裝),這樣就制造出了一只三區(qū)域(G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū))半導(dǎo)體器件。

H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)三區(qū)域半導(dǎo)體器件通常被人們稱為HGH型半導(dǎo)體三極管或者稱為HGH型晶體三極管,我們倡議直接簡(jiǎn)稱為HGH管。

G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)三區(qū)域半導(dǎo)體器件通常被人們稱為GHG型半導(dǎo)體三極管或者稱為GHG型晶體三極管,我們倡議直接簡(jiǎn)稱為GHG管。

HGH管和GHG管的結(jié)構(gòu)示意圖和我們倡議的電路符號(hào)如圖11所示。

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圖11 HGH管和GHG管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)

HGH管的電路符號(hào)中,三根短線段從上到下依次表示HGH管的H型2區(qū)、G型區(qū)和H型1區(qū),從H型2區(qū)、G型區(qū)和H型1區(qū)引出的三個(gè)電極分別稱為H2極、G極和H1極,箭頭則指出了HGH管中總電流的方向。

GHG管的電路符號(hào)中,三根短線段從上到下依次表示GHG管的G型2區(qū)、H型區(qū)和G型1區(qū),從G型2區(qū)、H型區(qū)和G型1區(qū)引出的三個(gè)電極分別稱為G2極、H極和G1極,箭頭則指出了GHG管中總電流的方向。

先把片狀硅本征半導(dǎo)體摻雜成濃度極低的G型半導(dǎo)體,再把G型半導(dǎo)體從左到右按一定間隔摻雜出高濃度的H型1區(qū)、H型2區(qū)和G+型區(qū),再在H型1區(qū)和H型2區(qū)之間的G型半導(dǎo)體上覆蓋一層二氧化硅絕緣層,然后從絕緣層、H型2區(qū)連同G+型區(qū)、H型1區(qū)上各引出一個(gè)電極(分立元件還需進(jìn)行封裝),這樣就制造出了一只三區(qū)域(H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū))金屬‐氧化物‐半導(dǎo)體器件。

先把片狀硅本征半導(dǎo)體摻雜成濃度極低的H型半導(dǎo)體,再把H型半導(dǎo)體從左到右按一定間隔摻雜出高濃度的H+型區(qū)、G型1區(qū)和G型2區(qū),再在G型1區(qū)和G型2區(qū)之間的H型半導(dǎo)體上覆蓋一層二氧化硅絕緣層,然后從絕緣層、G型1區(qū)連同H+型區(qū)、G型2區(qū)上各引出一個(gè)電極(分立元件還需進(jìn)行封裝),這樣就制造出了一只三區(qū)域(G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū))金屬‐氧化物‐半導(dǎo)體器件。

H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)三區(qū)域金屬‐氧化物‐半導(dǎo)體器件通常被人們稱為HMOS型場(chǎng)效應(yīng)三極管,我們倡議直接簡(jiǎn)稱為HMOS管。

G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)三區(qū)域金屬‐氧化物‐半導(dǎo)體器件通常被人們稱為GMOS型場(chǎng)效應(yīng)三極管,我們倡議直接簡(jiǎn)稱為GMOS管。

HMOS管和GMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和我們倡議的電路符號(hào)如圖12所示。

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圖12 HMOS管和GMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)

HMOS管的電路符號(hào)中,三根短線段從上到下依次表示HMOS管的H型2區(qū)、G型區(qū)和H型1區(qū),左邊的長(zhǎng)線段表示絕緣層,箭頭右下方與箭頭垂直的線段表示G+型區(qū),從H型2區(qū)連同G+型區(qū)、絕緣層和H型1區(qū)引出的三個(gè)電極分別稱為H2極、G極和H1極,箭頭則指出了HMOS管中總電流的方向。

GMOS管的電路符號(hào)中,三根短線段從上到下依次表示GMOS管的G型2區(qū)、H型區(qū)和G型1區(qū),左邊的長(zhǎng)線段表示絕緣層,箭頭右上方與箭頭垂直的線段表示H+型區(qū),從G型2區(qū)、絕緣層和G型1區(qū)連同H+型區(qū)引出的三個(gè)電極分別稱為G2極、H極和G1極,箭頭則指出了GMOS管中總電流的方向。

3.2.2 三極管的導(dǎo)電特性

對(duì)于三極管,我們?cè)谶@里強(qiáng)調(diào):

①三極管的導(dǎo)電特性除必須考慮導(dǎo)通和截止兩種工作狀態(tài)以及必須考慮導(dǎo)通與截止的條件分別是什么外,還必須考慮導(dǎo)通程度的深淺。

②只有自由電子從H型1區(qū)移動(dòng)進(jìn)緊鄰的G型區(qū)再移動(dòng)進(jìn)緊鄰的H型2區(qū)時(shí)、或者自由電子從G型1區(qū)移動(dòng)進(jìn)緊鄰的H型區(qū)再移動(dòng)進(jìn)緊鄰的G型2區(qū)時(shí),我們才能認(rèn)為三極管是處于導(dǎo)通狀態(tài)的,否則就認(rèn)為三極管是處于截止?fàn)顟B(tài)的。

③由于三極管具有H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)和G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)兩種排列方式,因此,只有HGH管和HMOS管的H2極和H1極之間加上H2極為正H1極為負(fù)的直流電壓且H2極和G極之間加上H2極為正G極為負(fù)的直流電壓時(shí),自由電子才可能從電位低的H型1區(qū)向電位高的H型2區(qū)作定向移動(dòng);只有GHG管和GMOS管的G2極和G1極之間加上G2極為正G1極為負(fù)的直流電壓且H極和G1極之間加上H極為正G1極為負(fù)的直流電壓時(shí),自由電子才可能從電位低的G型1區(qū)向電位高的G型2區(qū)作定向移動(dòng)。

現(xiàn)在我們通過(guò)圖13和圖14所示的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)探尋GHG管和HGH管的導(dǎo)電特性。(實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均摘自互聯(lián)網(wǎng)上高等院?;?qū)<覍W(xué)者的實(shí)驗(yàn)報(bào)告)

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圖13 探尋GHG管導(dǎo)電特性的實(shí)驗(yàn)電路

我們先按圖13所示把GHG管的G2極和G1極之間加上G2極為正G1極為負(fù)的直流電壓UG2G1、H極和G1極之間加上H極為正G1極為負(fù)的直流電壓UHG1,從實(shí)驗(yàn)中得知:當(dāng)UHG1<0.5V時(shí),GHG管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)GHG管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)UHG1≥0.5V時(shí),GHG管中不僅有正向電流通過(guò)而且其電流值還隨著UHG1的變化而變化(參見(jiàn)表1),此時(shí)GHG管處于受控導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)UHG1增大到使UG2G1<1.2V時(shí),GHG管的正向電流恒定為某一固定值而不再隨UHG1的增大而增大,此時(shí)GHG管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

表1 GHG管IG2隨UHG1變化而變化的數(shù)據(jù)

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圖14 探尋HGH管導(dǎo)電特性的實(shí)驗(yàn)電路

我們?cè)侔磮D14所示把HGH管的H2極和H1極之間加上H2極為正H1極為負(fù)的直流電壓UH2H1、H2極和G極之間加上H2極為正G極為負(fù)的直流電壓UH2G,從實(shí)驗(yàn)中得知:當(dāng)UH2G<0.5V時(shí),HGH管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)HGH管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)UH2G≥0.5V時(shí),HGH管中不僅有正向電流通過(guò)而且其電流值還隨著UH2G的變化而變化(參見(jiàn)表2),此時(shí)HGH管處于受控導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)UH2G增大到使UH2H1<1.2V時(shí),HGH管的正向電流恒定為某一固定值而不再隨UH2G的增大而增大,此時(shí)HGH管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

表2 HGH管IH1隨UH2G變化而變化的數(shù)據(jù)

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接下來(lái)我們?cè)偻ㄟ^(guò)圖15和圖16所示的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)探尋GMOS管和HMOS管的導(dǎo)電特性。(實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均摘自互聯(lián)網(wǎng)上高等院?;?qū)<覍W(xué)者的實(shí)驗(yàn)報(bào)告)

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圖15 探尋GMOS管導(dǎo)電特性的實(shí)驗(yàn)電路

我們先按圖15所示把GMOS管的G2極和G1極之間加上G2極為正G1極為負(fù)的直流電壓UG2G1、H極和G1極之間加上H極為正G1極為負(fù)的直流電壓UHG1,從實(shí)驗(yàn)中得知:當(dāng)UHG1<2V時(shí),GMOS管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)GMOS管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)UHG1≥2V時(shí),GMOS管中不僅有正向電流通過(guò)而且其電流值還隨著UHG1的變化而變化(參見(jiàn)表3),此時(shí)GMOS管處于受控導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)UHG1增大到使UG2G1<1.2V時(shí),GMOS管的正向電流恒定為某一固定值而不再隨UHG1的增大而增大,此時(shí)GMOS管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

表3 GMOS管IG2隨UHG1變化而變化的數(shù)據(jù)

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圖16 探尋HMOS管導(dǎo)電特性的實(shí)驗(yàn)電路

我們?cè)侔磮D16所示把HMOS管的H2極和H1極之間加上H2極為正H1極為負(fù)的直流電壓UH2H1、H2極和G極之間加上H2極為正G極為負(fù)的直流電壓UH2G,從實(shí)驗(yàn)中得知:當(dāng)UH2G<2V時(shí),HMOS管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)HMOS管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)UH2G≥2V時(shí),HMOS管中不僅有正向電流通過(guò)而且其電流值還隨著UH2G的變化而變化(參見(jiàn)表4),此時(shí)HMOS管處于受控導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)UH2G增大到使UH2H1<1.2V時(shí),HMOS管的正向電流恒定為某一固定值而不再隨UH2G的增大而增大,此時(shí)HMOS管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

表4 HMOS管IH1隨UH2G變化而變化的數(shù)據(jù)

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換用不同跨導(dǎo)的三極管重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),我們總結(jié)出的三極管的導(dǎo)電特性是:

①三極管可以分別工作于三種工作狀態(tài)——截止?fàn)顟B(tài)、受控導(dǎo)通狀態(tài)和飽和導(dǎo)通狀態(tài),工作于截止?fàn)顟B(tài)、受控導(dǎo)通狀態(tài)和飽和導(dǎo)通狀態(tài)所需的外部條件如表5所示。

表5 三區(qū)域半導(dǎo)體器件各種工作狀態(tài)所需的外部條件

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②三極管工作在受控導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),輸入電壓的微小變化可引起導(dǎo)通電流的較大變化,并且導(dǎo)通電流變化量?IG2(?IH1)總是輸入電壓變化量?UHG1(?UH2G)的某一固定倍數(shù)。

三極管導(dǎo)通電流的變化量?IG2與輸入電壓的變化量?UHG1(或者導(dǎo)通電流的變化量?IH1與輸入電壓的變化量?UH2G)的比值稱為三極管的跨導(dǎo),即

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跨導(dǎo)的單位是毫西(mS),GHG管和HGH管的跨導(dǎo)一般為幾十毫西,GMOS管和HMOS管的跨導(dǎo)一般為幾毫西??鐚?dǎo)表征了三極管輸入電壓對(duì)導(dǎo)通電流的控制能力。

三極管兩端的電壓UG2G1為某一固定值時(shí)輸入電壓UHG1與導(dǎo)通電流IG2(或者兩端的電壓UH2H1為某一固定值時(shí)輸入電壓UH2G與導(dǎo)通電流IH1)之間的關(guān)系曲線,稱為三極管的轉(zhuǎn)移特性曲線;三極管輸入電壓UHG1分別為不同的固定值時(shí)兩端的電壓UG2G1與導(dǎo)通電流IG2(或者輸入電壓UH2G分別為不同的固定值時(shí)兩端的電壓UH2H1與導(dǎo)通電流IH1)之間的關(guān)系曲線,稱為三極管的輸出特性曲線。如果通過(guò)轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線來(lái)了解三極管的導(dǎo)電特性,將會(huì)更加直觀明了、更加清晰易懂。圖17示出的是GHG管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,圖18示出的是GMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。

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圖17 GHG管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線

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圖18 GMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線

3.2.3 三極管的工作原理

1. GHG管和HGH管的工作原理

圖19示出了GHG管和HGH管的等效結(jié)構(gòu)圖,從等效結(jié)構(gòu)圖可以看出:GHG管可等效于由HG1結(jié)和HG2結(jié)這兩個(gè)HG結(jié)級(jí)聯(lián)組合而成的,而HGH管則可等效于由H2G結(jié)和H1G結(jié)這兩個(gè)HG結(jié)級(jí)聯(lián)組合而成的,因此,GHG管和HGH管都是利用“當(dāng)偏置電壓足夠大時(shí),HG結(jié)中低電位區(qū)域的易脫價(jià)電子將被電場(chǎng)力拉到導(dǎo)帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動(dòng)”這一原理進(jìn)行工作的。

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圖19 用等效結(jié)構(gòu)圖研究GHG管和HGH管的工作原理

①當(dāng)GHG管的UHG1<0.5V時(shí),對(duì)于HG1結(jié)來(lái)說(shuō),雖然G型1區(qū)中存在大量的易脫價(jià)電子,但由于電壓UHG1太小還無(wú)力把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,故沒(méi)有自由電子可移動(dòng),或者是由于此時(shí)電場(chǎng)力較小只夠把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子卻無(wú)力去移動(dòng)G型1區(qū)中的自由電子,故HG1結(jié)中沒(méi)有電流通過(guò);而對(duì)于HG2結(jié)來(lái)說(shuō),雖然電壓UG2H較大,H型區(qū)中又存在易脫價(jià)電子,H型區(qū)中的自由電子可以從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū),但由于H型區(qū)中的自由電子數(shù)量極少,故HG2結(jié)中只有極微量的電流通過(guò)。此時(shí)從整個(gè)GHG管來(lái)看,兩個(gè)HG結(jié)中HG1結(jié)截止HG2結(jié)導(dǎo)通,自由電子無(wú)法從G型1區(qū)移動(dòng)到G型2區(qū),所以GHG管處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)GHG管的UHG1≥0.5V時(shí),對(duì)于HG1結(jié)來(lái)說(shuō),由于G型1區(qū)中存在大量的易脫價(jià)電子,電壓UHG1又已具備了移動(dòng)G型1區(qū)中自由電子的能力,所以G型1區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型1區(qū)移向電位高的H型區(qū),故HG1結(jié)中有很大的電流通過(guò);而對(duì)于HG2結(jié)來(lái)說(shuō),由于電壓UG2H較大,H型區(qū)中又移進(jìn)了大量的自由電子,所以H型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū),故HG2結(jié)中也有較大的電流通過(guò)。此時(shí)從整個(gè)GHG管來(lái)看,兩個(gè)HG結(jié)中HG1結(jié)和HG2結(jié)全都導(dǎo)通,大量的自由電子是前赴后繼地從電位低的G型1區(qū)移向電位高的H型區(qū)、移進(jìn)H型區(qū)中的自由電子又前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū),故GHG管處于導(dǎo)通狀態(tài)。在GHG管導(dǎo)通期間,由于電壓UHG1越大,產(chǎn)生的電場(chǎng)力就越大,G型1區(qū)中被拉到導(dǎo)帶中的易脫價(jià)電子數(shù)量就越多,參與定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量也就越多,則形成的電流也就越大,就整個(gè)GHG管中的電流來(lái)看,電壓UHG1最終影響的其實(shí)是G2極電流的大小,即UHG1越大IG2越大、UHG1越小IG2越小,也就是說(shuō)輸入電壓嚴(yán)格控制著導(dǎo)通電流的大小,所以此時(shí)的GHG管處于受控導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)GHG管的UHG1增大到使UG2G1<1.2V時(shí),雖然此時(shí)的HG2結(jié)已是很小的反偏甚至轉(zhuǎn)為正偏,但GHG管上所加電壓仍是G型2區(qū)為正G型1區(qū)為負(fù),自由電子仍能從電位低的G型1區(qū)向電位高的G型2區(qū)作定向移動(dòng),另一方面由于此時(shí)G型1區(qū)中的易脫價(jià)電子幾乎是傾其所有都被拉到了導(dǎo)帶中,即使UHG1繼續(xù)增大也無(wú)法再提供更多的自由電子,這就使得移進(jìn)H型區(qū)的自由電子數(shù)量幾乎是個(gè)最大值,這樣GHG管的正向電流也就只能恒定為某一固定值而無(wú)法再隨UHG1的增大而增大了,所以GHG管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

②當(dāng)HGH管的UH2G<0.5V時(shí),對(duì)于H1G結(jié)來(lái)說(shuō),由于電壓UGH1較大,H型1區(qū)中又存在大量的易脫價(jià)電子,所以H型1區(qū)中大量的自由電子可以從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū),故H1G結(jié)中有很大的電流通過(guò);而對(duì)于H2G結(jié)來(lái)說(shuō),雖然G型區(qū)中己經(jīng)移進(jìn)了大量的自由電子,但由于電壓UH2G太小還移動(dòng)不了G型區(qū)中的自由電子,故H2G結(jié)中沒(méi)有電流通過(guò)。此時(shí)從整個(gè)HGH管來(lái)看,兩個(gè)HG結(jié)中H1G結(jié)導(dǎo)通H2G結(jié)截止,自由電子無(wú)法從H型1區(qū)移動(dòng)到H型2區(qū),所以HGH管處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)HGH管的UH2G≥0.5V時(shí),對(duì)于H1G結(jié)來(lái)說(shuō),由于電壓UGH1較大,H型1區(qū)中又存在大量的易脫價(jià)電子,所以H型1區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū),故H1G結(jié)中有很大的電流通過(guò);而對(duì)于H2G結(jié)來(lái)說(shuō),由于G型區(qū)中己經(jīng)移進(jìn)了大量的自由電子,電壓UH2G又已具備了移動(dòng)G型區(qū)中自由電子的能力,所以G型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型2區(qū),故H2G結(jié)中也有較大的電流通過(guò)。此時(shí)從整個(gè)HGH管來(lái)看,兩個(gè)HG結(jié)中H1G結(jié)和H2G結(jié)全都導(dǎo)通,大量的自由電子是前赴后繼地從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū)、移進(jìn)G型區(qū)中的自由電子又前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型2區(qū),故HGH管處于導(dǎo)通狀態(tài)。在HGH管導(dǎo)通期間,由于電壓UH2G越大,產(chǎn)生的電場(chǎng)力就越大,G型區(qū)中被移進(jìn)H型2區(qū)的自由電子數(shù)量也就越多,則形成的電流也就越大,就整個(gè)HGH管中的電流來(lái)看,電壓UH2G最終影響的其實(shí)是H1極電流的大小,即UH2G越大IH1越大、UH2G越小IH1越小,也就是說(shuō)輸入電壓嚴(yán)格控制著導(dǎo)通電流的大小,所以此時(shí)的HGH管處于受控導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)HGH管的UH2G增大到使UH2H1<1.2V時(shí),雖然此時(shí)的H1G結(jié)已是很小的反偏甚至轉(zhuǎn)為正偏,但HGH管上所加電壓仍是H型2區(qū)為正H型1區(qū)為負(fù),自由電子仍能從電位低的H型1區(qū)向電位高的H型2區(qū)作定向移動(dòng),另一方面由于此時(shí)H型1區(qū)中的易脫價(jià)電子幾乎是傾其所有都被拉到了導(dǎo)帶中,即使UH2G繼續(xù)增大也無(wú)法再提供更多的自由電子,這就使得移進(jìn)G型區(qū)的自由電子數(shù)量幾乎是個(gè)最大值,這樣HGH管的正向電流也就只能恒定為某一固定值而無(wú)法再隨UH2G的增大而增大了,所以HGH管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

2. GMOS管和HMOS管的工作原理

圖20示出了GMOS管和HMOS管的等效結(jié)構(gòu)圖,從等效結(jié)構(gòu)圖可以看出:GMOS管可等效于由HG1結(jié)和HG2結(jié)這兩個(gè)HG結(jié)級(jí)聯(lián)組合而成的,而HMOS管則可等效于由H2G結(jié)和H1G結(jié)這兩個(gè)HG結(jié)級(jí)聯(lián)組合而成的;同時(shí)從等效結(jié)構(gòu)圖還可以看出:由于GMOS管的H極與H+型區(qū)構(gòu)成了一個(gè)電容器上的兩塊極板,而HG1結(jié)是處在這個(gè)電容器的兩塊極板之間的,同樣,HMOS管的G極與G+型區(qū)也構(gòu)成了一個(gè)電容器上的兩塊極板,而H2G結(jié)也是處在這個(gè)電容器的兩塊極板之間的,電學(xué)理論告訴我們,電容器上加有電壓時(shí)兩極板間是會(huì)形成電場(chǎng)的,且所加電壓越大產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度越高,因此GMOS管和HMOS管仍然都是利用“當(dāng)偏置電壓足夠大時(shí),HG結(jié)中低電位區(qū)域的易脫價(jià)電子將被電場(chǎng)力拉到導(dǎo)帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動(dòng)”這一原理進(jìn)行工作的。

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圖20 用等效結(jié)構(gòu)圖研究GMOS管和HMOS管的工作原理

①當(dāng)GMOS管的UHG1<2V時(shí),對(duì)于HG1結(jié)來(lái)說(shuō),雖然G型1區(qū)中存在大量的易脫價(jià)電子,但由于電壓UHG1太小在H極與H+型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場(chǎng)力還無(wú)力把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子,故沒(méi)有自由電子可移動(dòng),或者是由于此時(shí)電場(chǎng)力較小只夠把易脫價(jià)電子拉到導(dǎo)帶中成為自由電子卻無(wú)力去移動(dòng)G型1區(qū)中的自由電子,故HG1結(jié)中沒(méi)有電流通過(guò);而對(duì)于HG2結(jié)來(lái)說(shuō),雖然電壓UG2H較大,H型區(qū)中又存在易脫價(jià)電子,H型區(qū)中的自由電子可以從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū),但由于H型區(qū)中的自由電子數(shù)量極少,故HG2結(jié)中只有極微量的電流通過(guò)。此時(shí)從整個(gè)GMOS管來(lái)看,兩個(gè)HG結(jié)中HG1結(jié)截止HG2結(jié)導(dǎo)通,自由電子無(wú)法從G型1區(qū)移動(dòng)到G型2區(qū),所以GMOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)GMOS管的UHG1≥2V時(shí),對(duì)于HG1結(jié)來(lái)說(shuō),由于G型1區(qū)中存在大量的易脫價(jià)電子,電壓UHG1在H極與H+型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場(chǎng)力又已具備了移動(dòng)G型1區(qū)中自由電子的能力,所以G型1區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型1區(qū)移向電位高的H型區(qū),故HG1結(jié)中有很大的電流通過(guò);而對(duì)于HG2結(jié)來(lái)說(shuō),由于電壓UG2H較大,H型區(qū)中又移進(jìn)了大量的自由電子,所以H型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū),故HG2結(jié)中也有較大的電流通過(guò)。此時(shí)從整個(gè)GMOS管來(lái)看,兩個(gè)HG結(jié)中HG1結(jié)和HG2結(jié)全都導(dǎo)通,大量的自由電子是前赴后繼地從電位低的G型1區(qū)移向電位高的H型區(qū)、移進(jìn)H型區(qū)中的自由電子又前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū),故GMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)。在GMOS管導(dǎo)通期間,由于電壓UHG1越大,在H極與H+型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場(chǎng)力就越大,G型1區(qū)中被拉到導(dǎo)帶中的易脫價(jià)電子數(shù)量就越多,參與定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量也就越多,則形成的電流也就越大,就整個(gè)GMOS管中的電流來(lái)看,電壓UHG1最終影響的其實(shí)是G2極電流的大小,即UHG1越大IG2越大、UHG1越小IG2越小,也就是說(shuō)輸入電壓嚴(yán)格控制著導(dǎo)通電流的大小,所以此時(shí)的GMOS管處于受控導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)GMOS管的UHG1增大到使UG2G1<1.2V時(shí),雖然此時(shí)的HG2結(jié)已是很小的反偏甚至轉(zhuǎn)為正偏,但GMOS管上所加電壓仍是G型2區(qū)為正G型1區(qū)為負(fù),自由電子仍能從電位低的G型1區(qū)向電位高的G型2區(qū)作定向移動(dòng),另一方面由于此時(shí)G型1區(qū)中的易脫價(jià)電子幾乎是傾其所有都被拉到了導(dǎo)帶中,即使UHG1繼續(xù)增大也無(wú)法再提供更多的自由電子,這就使得移進(jìn)H型區(qū)的自由電子數(shù)量幾乎是個(gè)最大值,這樣GMOS管的正向電流也就只能恒定為某一固定值而無(wú)法再隨UHG1的增大而增大了,所以GMOS管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

②當(dāng)HMOS管的UH2G<2V時(shí),對(duì)于H1G結(jié)來(lái)說(shuō),由于電壓UGH1較大,H型1區(qū)中又存在大量的易脫價(jià)電子,所以H型1區(qū)中大量的自由電子可以從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū),故H1G結(jié)中有很大的電流通過(guò);而對(duì)于H2G結(jié)來(lái)說(shuō),雖然G型區(qū)中己經(jīng)移進(jìn)了大量的自由電子,但由于電壓UH2G太小在G極與G+型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場(chǎng)力還移動(dòng)不了G型區(qū)中的自由電子,故H2G結(jié)中沒(méi)有電流通過(guò)。此時(shí)從整個(gè)HMOS管來(lái)看,兩個(gè)HG結(jié)中H1G結(jié)導(dǎo)通H2G結(jié)截止,自由電子無(wú)法從H型1區(qū)移動(dòng)到H型2區(qū),所以HMOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)HMOS管的UH2G≥2V時(shí),對(duì)于H1G結(jié)來(lái)說(shuō),由于電壓UGH1較大,H型1區(qū)中又存在大量的易脫價(jià)電子,所以H型1區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū),故H1G結(jié)中有很大的電流通過(guò);而對(duì)于H2G結(jié)來(lái)說(shuō),由于G型區(qū)中己經(jīng)移進(jìn)了大量的自由電子,電壓UH2G在G極與G+型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場(chǎng)力又已具備了移動(dòng)G型區(qū)中自由電子的能力,所以G型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型2區(qū),故H2G結(jié)中也有較大的電流通過(guò)。此時(shí)從整個(gè)HMOS管來(lái)看,兩個(gè)HG結(jié)中H1G結(jié)和H2G結(jié)全都導(dǎo)通,大量的自由電子是前赴后繼地從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū)、移進(jìn)G型區(qū)中的自由電子又前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型2區(qū),故HMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)。在HMOS管導(dǎo)通期間,由于電壓UH2G越大,在G極與G+型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場(chǎng)力就越大,G型區(qū)中被移進(jìn)H型2區(qū)的自由電子數(shù)量也就越多,則形成的電流也就越大,就整個(gè)HMOS管中的電流來(lái)看,電壓UH2G最終影響的其實(shí)是H1極電流的大小,即UH2G越大IH1越大、UH2G越小IH1越小,也就是說(shuō)輸入電壓嚴(yán)格控制著導(dǎo)通電流的大小,所以此時(shí)的HMOS管處于受控導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)HMOS管的UH2G增大到使UH2H1<1.2V時(shí),雖然此時(shí)的H1G結(jié)已是很小的反偏甚至轉(zhuǎn)為正偏,但HMOS管上所加電壓仍是H型2區(qū)為正H型1區(qū)為負(fù),自由電子仍能從電位低的H型1區(qū)向電位高的H型2區(qū)作定向移動(dòng),另一方面由于此時(shí)H型1區(qū)中的易脫價(jià)電子幾乎是傾其所有都被拉到了導(dǎo)帶中,即使UH2G繼續(xù)增大也無(wú)法再提供更多的自由電子,這就使得移進(jìn)G型區(qū)的自由電子數(shù)量幾乎是個(gè)最大值,這樣HMOS管的正向電流也就只能恒定為某一固定值而無(wú)法再隨UH2G的增大而增大了,所以HMOS管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

至于MOS管中出現(xiàn)電流即開(kāi)始導(dǎo)通的電壓閾值問(wèn)題,理論研究認(rèn)為:一方面,雖然易脫價(jià)電子不受共價(jià)鍵的束縛,但仍然受到原子核的束縛,所以只有電場(chǎng)力大于原子核的吸引力時(shí),易脫價(jià)電子才能掙脫原子核的束縛而成為自由電子;另一方面,電場(chǎng)力把易脫價(jià)電子拉入原子空隙中成為自由電子后,如果強(qiáng)度已無(wú)力再去推動(dòng)自由電子作定向移動(dòng),那么自由電子就只能作無(wú)規(guī)律的自由運(yùn)動(dòng),因此只有更高強(qiáng)度的電場(chǎng)力才能使自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng);第三方面,也是最重要的一個(gè)方面,由于GMOS管上由H+型區(qū)(和G1極連接在一起)與H極構(gòu)成的電容器極板是互相垂直的、HMOS管上由G+型區(qū)(和H2極連接在一起)與G極構(gòu)成的電容器極板也是互相垂直的,因此施加在MOS管中的電場(chǎng)都是邊緣電場(chǎng),如圖20中的弧形箭頭所示,換句話說(shuō)就是,同等大小的電壓在MOS管中形成的電場(chǎng)強(qiáng)度比在GHG管或HGH管中形成的電場(chǎng)強(qiáng)度要小很多很多,由此可知,要使MOS管中易脫價(jià)電子掙脫原子核的束縛成為自由電子并產(chǎn)生定向移動(dòng),必須施加更大的UHG1UH2G,才能使電場(chǎng)力強(qiáng)度達(dá)到足夠大,實(shí)踐證明,使MOS管中易脫價(jià)電子掙脫原子核的束縛成為自由電子并產(chǎn)生定向移動(dòng)的電壓閾值為2V。

對(duì)于三極管,這里有必要強(qiáng)調(diào):

GHG管的G1極與G2極不可對(duì)調(diào)使用、HGH管的H1極與H2極也不可對(duì)調(diào)使用!這主要是因?yàn)椋篏HG管的G型1區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于G型2區(qū)的摻雜濃度,HGH管的H型1區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于H型2區(qū)的摻雜濃度,當(dāng)G1極與G2極對(duì)調(diào)后或者H1極與H2極對(duì)調(diào)后,將使這兩種三極管中可供移動(dòng)的自由電子數(shù)量都大為減少,從而導(dǎo)致輸入電壓對(duì)導(dǎo)通電流的控制作用大大減小。同樣,GMOS管的G1極與G2極不可對(duì)調(diào)使用、HMOS管的H1極與H2極也不可對(duì)調(diào)使用!這主要是因?yàn)椋篏MOS管的G型2區(qū)與H型區(qū)實(shí)際等效于一只二極管,HMOS管的H型1區(qū)與G型區(qū)實(shí)際也等效于一只二極管,當(dāng)G1極與G2極對(duì)調(diào)后或者H1極與H2極對(duì)調(diào)后,該等效二極管便處于正向偏置狀態(tài),故將有極大的導(dǎo)通電流通過(guò),極有可能燒穿MOS管,即使不燒穿MOS管,也會(huì)把UG2G1或者UH2H1鉗制成極低的電壓而使MOS管失去輸入電壓對(duì)導(dǎo)通電流的控制能力。

3.3 雪崩管

3.3.1 雪崩管的結(jié)構(gòu)

先把硅本征半導(dǎo)體按照“G型1區(qū)‐H型1區(qū)‐G型2區(qū)‐H型2區(qū)”的規(guī)律摻雜成四層結(jié)構(gòu)的摻雜半導(dǎo)體,再分別從G型1區(qū)、H型1區(qū)和H型2區(qū)各引出一個(gè)電極(分立元件還需進(jìn)行封裝),這樣就制造出了一只四區(qū)域半導(dǎo)體器件。

四區(qū)域半導(dǎo)體器件以前被人們稱為單向可控硅,后來(lái)又改稱為單向晶閘管,由于四區(qū)域半導(dǎo)體器件的工作原理與雪山上雪崩的機(jī)理極為相似,所以我們倡議把四區(qū)域半導(dǎo)體器件直接簡(jiǎn)稱為單向雪崩管。

單向雪崩管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)如圖21所示。

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圖21 單向雪崩管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)

先把硅本征半導(dǎo)體按照“G型1區(qū)‐H型2區(qū)‐G型2區(qū)”的規(guī)律摻雜成三層結(jié)構(gòu)的摻雜半導(dǎo)體,再把G型1區(qū)上右邊的一部分摻雜成H型1區(qū)、G型2區(qū)上左邊的一部分摻雜成H型3區(qū),然后分別在H型2區(qū)表面、H型1區(qū)連同G型1區(qū)表面、H型3區(qū)連同G型2區(qū)表面各覆蓋一層金屬并從這三塊金屬涂層上各引出一個(gè)電極(分立元件還需進(jìn)行封裝),這樣就制造出了一只五區(qū)域半導(dǎo)體器件。

五區(qū)域半導(dǎo)體器件以前被人們稱為雙向可控硅,后來(lái)又改稱為雙向晶閘管,由于五區(qū)域半導(dǎo)體器件的工作原理也與雪山上雪崩的機(jī)理極為相似,所以我們倡議把五區(qū)域半導(dǎo)體器件直接簡(jiǎn)稱為雙向雪崩管。

雙向雪崩管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)如圖22所示。

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圖22 雙向雪崩管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)

3.3.2 雪崩管的導(dǎo)電特性

對(duì)于雪崩管,我們?cè)谶@里強(qiáng)調(diào):

①雪崩管的導(dǎo)電特性除必須考慮導(dǎo)通和截止兩種工作狀態(tài)以及必須考慮導(dǎo)通與截止的條件分別是什么外,還必須考慮導(dǎo)通后如何關(guān)斷以及關(guān)斷的條件是什么。

②只有自由電子從G型1區(qū)移動(dòng)進(jìn)緊鄰的H型1區(qū)再移動(dòng)進(jìn)緊鄰的G型2區(qū)再移動(dòng)進(jìn)緊鄰的H型2區(qū)時(shí),我們才能認(rèn)為單向雪崩管是處于導(dǎo)通狀態(tài)的,否則就認(rèn)為單向雪崩管是處于截止?fàn)顟B(tài)的;只有自由電子從G型1區(qū)移動(dòng)進(jìn)緊鄰的H型2區(qū)再移動(dòng)進(jìn)緊鄰的G型2區(qū)再移動(dòng)進(jìn)緊鄰的H型3區(qū)時(shí)、或者自由電子從G型2區(qū)移動(dòng)進(jìn)緊鄰的H型2區(qū)再移動(dòng)進(jìn)緊鄰的G型1區(qū)再移動(dòng)進(jìn)緊鄰的H型1區(qū)時(shí),我們才能認(rèn)為雙向雪崩管是處于導(dǎo)通狀態(tài)的,否則就認(rèn)為雙向雪崩管是處于截止?fàn)顟B(tài)的。

③單向雪崩管只有在T2極和T1極之間加上T2極為正T1極為負(fù)的直流電壓且H極和T1極之間加上H極為正T1極為負(fù)的直流電壓時(shí),自由電子才可能從電位低的G型1區(qū)向電位高的H型2區(qū)作定向移動(dòng);雙向雪崩管只有在T2極和T1極之間加上T2極為正T1極為負(fù)的直流電壓且H極和T1極之間加上H極為正T1極為負(fù)的直流電壓時(shí),自由電子才可能從電位低的G型1區(qū)向電位高的H型3區(qū)作定向移動(dòng)、或者只有在T1極和T2極之間加上T1極為正T2極為負(fù)的直流電壓且H極和T2極之間加上H極為正T2極為負(fù)的直流電壓時(shí),自由電子才可能從電位低的G型2區(qū)向電位高的H型1區(qū)作定向移動(dòng)。

現(xiàn)在我們通過(guò)圖23所示的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)探尋單向雪崩管的導(dǎo)電特性。

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圖23 探尋單向雪崩管導(dǎo)電特性的實(shí)驗(yàn)電路

我們按圖23所示把單向雪崩管的T2極和T1極之間加上T2極為正T1極為負(fù)的直流電壓UT2T1、H極和T1極之間加上H極為正T1極為負(fù)的直流電壓UHT1,從實(shí)驗(yàn)中得知:①當(dāng)UHT1<0.5V時(shí),單向雪崩管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)單向雪崩管處于截止?fàn)顟B(tài)。②當(dāng)UHT1≥0.5V時(shí),單向雪崩管中有正向電流通過(guò),此時(shí)單向雪崩管處于導(dǎo)通狀態(tài)。③單向雪崩管導(dǎo)通期間,無(wú)論UHT1怎樣變化,單向雪崩管中的正向電流都保持某一恒定值不變,更無(wú)法使正向電流為0;改變UT2T1,單向雪崩管中的正向電流則會(huì)隨UT2T1的變化而變化;UT2T1減小到使正向電流為0時(shí),單向雪崩管關(guān)斷;單向雪崩管關(guān)斷后,無(wú)論UT2T1怎樣變化,都無(wú)法使單向雪崩管再次導(dǎo)通,但若再次加上≥0.5V的UHT1,卻能使單向雪崩管再次導(dǎo)通。

接下來(lái)我們?cè)偻ㄟ^(guò)圖24(a)和圖24(b)所示的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)探尋雙向雪崩管的導(dǎo)電特性。

我們先按圖24(a)所示把雙向雪崩管的T2極和T1極之間加上T2極為正T1極為負(fù)的直流電壓UT2T1、H極和T1極之間加上H極為正T1極為負(fù)的直流電壓UHT1,從實(shí)驗(yàn)中得知:①當(dāng)UHT1<0.5V時(shí),雙向雪崩管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)雙向雪崩管處于截止?fàn)顟B(tài)。②當(dāng)UHT1≥0.5V時(shí),雙向雪崩管中有正向電流通過(guò),此時(shí)雙向雪崩管處于導(dǎo)通狀態(tài)。③雙向雪崩管導(dǎo)通期間,無(wú)論UHT1怎樣變化,雙向雪崩管中的正向電流都保持某一恒定值不變,更無(wú)法使正向電流為0;改變UT2T1,雙向雪崩管中的正向電流則會(huì)隨UT2T1的變化而變化;UT2T1減小到使正向電流為0時(shí),雙向雪崩管關(guān)斷;雙向雪崩管關(guān)斷后,無(wú)論UT2T1怎樣變化,都無(wú)法使雙向雪崩管再次導(dǎo)通,但若再次加上≥0.5V的UHT1,卻能使雙向雪崩管再次導(dǎo)通。

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圖24 探尋雙向雪崩管導(dǎo)電特性的實(shí)驗(yàn)電路

我們?cè)侔磮D24(b)所示把雙向雪崩管的T1極和T2極之間加上T1極為正T2極為負(fù)的直流電壓UT2T1、H極和T2極之間加上H極為正T2極為負(fù)的直流電壓UT2H,從實(shí)驗(yàn)中得知:①當(dāng)UT2H<-0.5V時(shí),雙向雪崩管中沒(méi)有電流通過(guò),此時(shí)雙向雪崩管處于截止?fàn)顟B(tài)。②當(dāng)UT2H≥-0.5V時(shí),雙向雪崩管中有反向電流通過(guò),此時(shí)雙向雪崩管處于導(dǎo)通狀態(tài)。③雙向雪崩管導(dǎo)通期間,無(wú)論UT2H怎樣變化,雙向雪崩管中的反向電流都保持某一恒定值不變,更無(wú)法使反向電流為0;改變UT2T1,雙向雪崩管中的反向電流則會(huì)隨UT2T1的變化而變化;UT2T1減小到使反向電流為0時(shí),雙向雪崩管關(guān)斷;雙向雪崩管關(guān)斷后,無(wú)論UT2T1怎樣變化,都無(wú)法使雙向雪崩管再次導(dǎo)通,但若再次加上≥-0.5V的UT2H,卻能使雙向雪崩管再次導(dǎo)通。

換用不同額定電流的雪崩管重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),我們總結(jié)出的雪崩管的導(dǎo)電特性是:

①雪崩管有兩種工作狀態(tài)——截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài),工作于截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)所需的外部條件如表6所示。

表6 雪崩管各種工作狀態(tài)所需的外部條件

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②當(dāng)UHT1<0.5V時(shí),單向雪崩管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)UHT1≥0.5V時(shí),單向雪崩管會(huì)被觸發(fā)導(dǎo)通;單向雪崩管導(dǎo)通期間,正向電流不受UHT1控制而只隨UT2T1的變化而變化;UT2T1減小到使正向電流為0時(shí),單向雪崩管才能被關(guān)斷。

③雙向雪崩管的T2極和T1極間加正電壓UT2T1時(shí),H極上加正電壓UHT1可使雙向雪崩管正向?qū)?;T2極和T1極間加負(fù)電壓UT1T2時(shí),H極上加負(fù)電壓UHT2可使雙向雪崩管反向?qū)ā?/strong>

雪崩管兩端的電壓UT2T1和流過(guò)雪崩管的電流IT2T1之間的關(guān)系曲線,稱為雪崩管的伏安特性曲線。如果通過(guò)伏安特性曲線來(lái)了解雪崩管的導(dǎo)電特性,將會(huì)更加直觀明了、更加清晰易懂。圖25示出的是單向雪崩管的伏安特性曲線,圖26示出的是雙向雪崩管的伏安特性曲線。

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圖25 單向雪崩管的伏安特性曲線

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圖26 雙向雪崩管的伏安特性曲線

3.3.3 雪崩管的工作原理

從圖21中單向雪崩管的等效電路可以看出,單向雪崩管可等效于由一只GHG管和一只HGH管按電流正反饋規(guī)律串接而成,有了這樣一個(gè)等效,我們?cè)賮?lái)理解單向雪崩管的工作原理就比較簡(jiǎn)單易懂了。

由于UHT1<0.5V時(shí),GHG管不可能導(dǎo)通,HGH管也就不會(huì)跟著導(dǎo)通,所以單向雪崩管中沒(méi)有電流通過(guò),單向雪崩管處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)UHT1≥0.5V時(shí),GHG管首先開(kāi)始導(dǎo)通,HGH管也跟著開(kāi)始導(dǎo)通,由于HGH管的輸出電流就是GHG管的輸入電流,GHG管和HGH管又都處于放大狀態(tài),所以被反復(fù)放大的電流使單向雪崩管迅速進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。

單向雪崩管導(dǎo)通后,由于GHG管和HGH管間存在著強(qiáng)烈的正反饋,不再需要UHT1來(lái)提供輸入電流,所以無(wú)論UHT1怎樣變化,單向雪崩管中的正向電流都不會(huì)隨UHT1的變化而變化,但由于UT2T1的大小決定了參與定向移動(dòng)的自由電子數(shù)量的多少,所以改變UT2T1,就會(huì)引起單向雪崩管中的正向電流隨UT2T1的變化而變化;單向雪崩管關(guān)斷后,由于電流為0,即自由電子已不再作定向移動(dòng),所以無(wú)論UT2T1怎樣變化,都無(wú)法使單向雪崩管再次導(dǎo)通,除非再次給H極上加≥0.5V的UHT1,單向雪崩管才會(huì)再次導(dǎo)通。

從圖22中雙向雪崩管的等效電路可以看出,雙向雪崩管可等效于由兩只單向雪崩管反向并接而成,因此當(dāng)T2極和T1極間加正電壓時(shí),H極上加正電壓可使雙向雪崩管正向?qū)?,而?dāng)T2極和T1極間加負(fù)電壓時(shí),H極上加負(fù)電壓可使雙向雪崩管反向?qū)ā?/strong>

參 考 文 獻(xiàn)

1.互聯(lián)網(wǎng)文庫(kù)中的文獻(xiàn)資料

2.陳偉虞.脈沖與數(shù)字電路(第3版).北京.高等教育出版社.1999.7

3.肖景和.數(shù)字集成電路應(yīng)用精粹.北京.人民郵電出版社.2002.6

審核編輯 黃宇

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