相反数量少的空穴成为少子
发布时间:2018-01-15 03:36

  现在市场上大部分的半导体晶圆材料都是硅衬底,那么为什么要选硅这种材料呢?一方面硅是一种非常丰富的元素,在地球的每个地方都可以轻松获得,另一方面,需要选择一种材料作为晶体管的基本材料时,首先我们需要考虑的是电阻,导体的电阻率非常小,很容易导电,绝缘体的电阻率很高,几乎没有自由运动的电子,不能导电,对于晶体管来说就需要能够根据需要对晶体管的开关进行控制,半导体电阻率在导体与绝缘体之间,在不同的条件下会表现出不同的性质硅原子最外层电子数有四个,不易得失电子,而硅晶体中没有明显的自由电子,能导电,导电性不及金属,但随着温度的升高到店率会增加,具有半导体性质。

  三极管可作为开关管和放大管使用,晶圆厂一般用硅,锗,砷化镓,氮化镓等半导体作为衬底。下面来聊聊双极型晶体管原理,所谓双极型就是存在两种载流子电子和空穴运动;说起三极管首先就要知道的就是pn结,由P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面形成PN结。在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),硅原子外层有四个电子与五价元素电子形成共价键,剩余一个电子形成游离态,游离的电子数量多,称为多子,相反数量少的空穴成为少子,此杂质半导体称为N型半导体。同理掺入三价元素(如硼)形成P型半导体,多子是空穴,少子是电子。当N型半导体与P型半导体接触时,形成PN结,由于半导体之间的载流子浓度差,形成了扩散运动,P型半导体的多子(空穴)向浓度低的N型半导体扩散,同理N型半导体的多子(电子)向P型半导体扩散,在交界处复合为空穴电子对,由于扩散运动导致在半导体交界面处多子浓度下降,P区出现负离子区N区出现正离子区,它们是不能移动的,成为空间电荷区,形成了空间内电场阻止多子扩散,加强空间电荷区少子的漂移运动,从而达到平衡。当PN结外加正电压时,多子扩散运动加强,将会大于漂移运动,参与扩散的多子数将会大于参与漂移的少子,当多子扩散到空间电荷区与电荷区中少子复合,由于少子数少于多子数所以复合后的多子有剩余,与正负离子又形成相应的P型和N型半导体,所以空间电荷区变窄。外加负电压时,参与扩散的多子数少于参与漂移的少子数,由于负电压,多子一方面扩散运动被阻止,运动减弱,另一方面空间电荷区少子数多于多子数,复合后有剩余,就会跟空间电荷区外的半导体多子再进行复合,造成P型和N型半导体面积变小,空间电荷区面积变大。PN结内部运动如下图所示:

  双极型晶体管分为NPN和PNP型,由两个PN结构成,以下以NPN为例:有三个极,集电极,基极和发射极,发射极掺杂浓度最高,集电区次之但面积最大,基区最小,面积也最小;NPN三极管如下图所示:

  内部工作原理:如下图所示,由于BB作用发射极发射电子到达基区与基区多子(空穴)复合形成基极电流Ie,由于发射极高掺杂基区浓度小,所以与基区多子复合之后还有多余的非平衡少子(电子)聚集在集电结附近,由于cc作用,集电结反偏这些非平衡少子跃过集电结到达集电区形成集电极电流Ic.所以三极管放大的实质就是发射极发射电子到集电极。

  三极管截止状态特点:发射结集电结反偏(Ube<Uon,Ube<Uce)发射结集电结中只有少子漂移电流,很小几乎忽略不记。

  三极管放大状态特点:发射机正偏,集电结反偏(Ube>Uon,Ube<Uce)发射结导通,发射区发射电子到基区,由于基区很薄,杂质浓度也低,所以电子空穴复合后非平衡少子(电子)向集电区靠近,跃过集电结到达集电极形成Ic,Ube一定时,当增大Uce,集电结反向电压增大非平衡少子跃过集电结越多,在基区参与复合运动的电子就减少,当Uce增大到一定值后,集电结电场足够强可以使得将发射区注入基区的绝大多数非平衡少子都收集到集电区,所以再增大Uce,Ic也不可能再明显增大,因此Ib基本保持不变,当增大Ube时,发射区发射的电子到达基区,的电子与基区空穴形成复合电流Ib,Ib就会变大,同时非平衡少子也会变多,它们在反偏电压Uce作用下跃过集电结形成集电极电流Ic,Ic变大,这就是所谓的小电流Ib控制大电流Ic,Ic=βIb。

  三极管饱和状态特点:发射结集电结正偏(Ube>Uon,Ube>Uce)当Ube再增大时,Ib也增大,在基区非平衡少子也增多,由于集电结正偏(集电结多子扩散形成Ic)很少的非平衡少子能跃过集电结,大部分被排斥,所以无论Ib如何变大,Ic也不会变大,此时Ic只与Uce(集电结正偏电压)有关,Uce越大则Ic越大。

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