9.8: 半导体器件

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述使用扩散和漂移电流（施加电压为零）的概念将 n 型和 p 型材料连接在一起时会发生什么
• 解释 p-n 结对正向和反向偏置电压的响应
• 描述晶体管在电路中的功能
• 使用 p-n 结的概念来解释其在音频放大器和计算机中的应用

半导体在现代电子中有许多应用。 我们在本节中描述了一些基本的半导体器件。 使用半导体作为电路元件的一大优势在于，成千上万或数百万个半导体器件可以组合在同一个微小的硅片上，并通过导电路径连接。 由此产生的结构被称为集成电路（ic），而集成电路芯片是许多现代设备的基础，从计算机和智能手机到互联网和全球通信网络。

二极管

也许可以用半导体制造的最简单的器件是二极管。 二极管是一种电路元件，它只允许电流向一个方向流动，就像单向阀一样（参见金属传导模型）。 二极管是通过将 p 型半导体连接到 n 型半导体而产生的（图$\PageIndex{1}$）。 这些材料之间的交汇点称为 p-n 结。 硅基二极管的能带比较如图所示$\PageIndex{1b}$。 价带和传导带的位置相同，但杂质水平却大不相同。 当形成 p-n 结时，来自 n 型材料传导带的电子会扩散到 p 侧，在那里它们与价带中的空穴结合。 这种电荷迁移在 n 侧留下正电离供体离子，在 p 侧留下负电离受体离子，在 p-n 结处产生一层狭窄的双电荷层，称为耗尽层。 与耗尽层相关的电场可防止进一步扩散。 p-n 结上电子的势能由图给出$\PageIndex{2}$。

图$\PageIndex{1}$：(a) p-n 交汇点的表示法。 (b) 平衡前 p 型和 n 型硅的能带比较。

现在可以理解半导体二极管的行为了。 如果电池的正极连接到 n 型材料，则耗尽层会扩大，p-n 结上的势能差会增加。 很少或根本没有一个电子（空洞）有足够的能量来爬过潜在的屏障，并且电流会大大降低。 这称为反向偏置配置。 另一方面，如果电池的正极连接到 p 型材料，则耗尽层变窄，p-n 结上的势能差会减小，电子（空洞）很容易流动。 这称为二极管的正向偏置配置。 总之，二极管允许电流向一个方向自由流动，但可以防止电流向相反的方向流动。 从这个意义上讲，半导体二极管是一个单向阀。

图$\PageIndex{2}$：在平衡时，（a）过量电荷位于界面附近，净电流为零，（b）电子的势能差（浅蓝色）阻止电子进一步扩散到 p 侧。

我们可以使用电势概念来估计二极管的电流和电压之间的数学关系。 以 n 型材料中的 N 个带负电荷的多数载流子（由杂质原子捐赠的电子）和 p-n 结上的势垒 V 为例。 根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，有足够能量在势垒上扩散的电子比例为$Ne^{-eV/k_BT}$。 但是，如果在$V_b$正向偏置配置中施加一组电压，则该分数将提高到$Ne^{-e(V-V_b)/k_BT}$。 因此，从 n 侧到 p 侧由大多数载流子产生的电流为

$$I = Ne^{-eV/k_BT}e^{eV_b/k_BT} = I_0e^{eV_b/k_BT}, \nonumber$$

其中$I_0$是未施加电压的电流，T 是温度。 少数载流子产生的电流（电子从价带到 p 侧传导带的热激发以及随后对 n 侧的吸引）与偏置电压无关。$-I_0$ 因此，净电流为

$$I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber$$

图中给出了电流与偏置电压的示例图$\PageIndex{3}$。 在正向偏置配置中，偏置电压的微小变化会导致电流的巨大变化。 在反向偏置配置中，电流为$I_{net} \approx -I_0$。 对于反向偏置的极端值，材料中的原子会被电离化，从而触发大量的电流。 这种情况发生在击穿电压下。

图$\PageIndex{3}$：p-n 结（二极管）两端的电流与电压的关系。 在正向偏置配置中，电流很容易流动。 但是，在反向偏置配置中，电流流量很少。

示例$\PageIndex{1}$: Diode Current

将电池的正极连接到半导体二极管的 p 侧，将负端连接到半导体二极管的 n 侧，产生的电流为$4.5 \times 10^{-1} A$。 反向饱和电流为$2.2 \times 10^{-8} A$。 （反向饱和电流是指二极管在这样的反向偏置配置中的电流。） 电池电压为 0.12 V。二极管的温度是多少？

策略

第一种布置是正向偏置配置，第二配置是反向偏置配置。

解决方案

正向和反向偏置配置中的电流由下式给出

$$I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber$$

没有偏置的电流与反向饱和电流的关系为

$$I_0 \approx -I_{sat} = 2.2 \times 10^{-8}. \nonumber$$

因此

$$\dfrac{I_{net}}{I_0} = \dfrac{4.5 \times 10^{-1} A}{2.2 \times 10^{-8}A} = 2.0 \times 10^8. \nonumber$$

这可以写成

$$\dfrac{I_{net}}{I_0} + 1 = e^{eV_b/k_BT}. \nonumber$$

这个比率远大于 1，因此方程左侧的第二个项消失了。 取双方的自然对数可以得到

$$\dfrac{eV_b}{k_BT} = 19. \nonumber$$

因此，温度是

$$T = \dfrac{eV_b}{k_B} \left(\dfrac{1}{19}\right) = \dfrac{e(0.12 \, V)}{8.617 \times 10^{-5} eV/K} \left(\dfrac{1}{19}\right) = 73 \, K. \nonumber$$

意义

在正向和反向偏置配置中流经二极管的电流对二极管的温度敏感。 如果电池提供的势能与二极管周围环境的热能相比很大$k_BT$，则与反向饱和电流相比，正向偏置电流非常大。

练习$\PageIndex{1}$

正向偏置电流的大小与反向偏置电流相比如何？

解决方案

正向偏置电流要大得多。 近似值是，二极管只允许电流沿一个方向流动。

创建 p-n 结点，观察正向和反向偏置电压的简单电路的行为。 访问此网站以了解有关半导体二极管的更多信息。

结型晶体管

如果二极管是单向阀，则晶体管是单向阀，可以小心地打开和关闭以控制电流。 结型晶体管是一种特殊的晶体管。 结型晶体管有三个部分，包括 n 型半导体，也称为发射极；薄 p 型半导体，作为基极；另一个 n 型半导体，称为集电极（图$\PageIndex{4}$）。 当正极连接到 p 型层（基极）时，一小部分电子电流（称为基极电流$I_B$）会流向端子。 这会导致大量集电极电$I_C$流流过集电极。 可以调整基极电流以控制较大的集电极电流。 因此，当前的增益为

$$I_c = \beta I_B. \nonumber$$

图$\PageIndex{4}$：结型晶体管有三个部分：发射极、基极和集电极。 施加到基极的电压充当阀门，用于控制从发射极到集电极的电流。

结型晶体管可用于放大来自麦克风的电压以驱动扬声器。 在此应用中，声波会导致麦克风内部的振膜快速移入和移出（图$\PageIndex{5}$）。 当隔膜处于 “输入” 位置时，向晶体管的基极施加微小的正电压。 这会打开晶体管 “阀门”，并允许大量电流流向扬声器。 当隔膜处于 “输出” 位置时，向晶体管的基极施加一个微小的负电压，这会关闭晶体管阀，这样就不会有电流流向扬声器。 这会关闭晶体管 “阀”，这样就不会有电流流向扬声器。 通过这种方式，流向扬声器的电流由声波控制，声音被放大。 任何放大信号的电子设备都称为放大器。

图$\PageIndex{5}$：基于结型晶体管的音频放大器。 麦克风施加到底座上的电压充当阀门，用于控制通过扬声器的更大电流。

在现代电子设备中，数字信号与二极管和晶体管一起使用来执行诸如数据处理之类的任务。 电路携带两种类型的电信号：模拟和数字（图$\PageIndex{6}$）。 模拟信号连续变化，而数字信号在两个固定电压值之间切换，例如加 1 伏特和零伏特。 在计算机中的数字电路中，晶体管的作用类似于开关开关。 晶体管要么处于开启状态，表示阀门已完全打开，要么处于关闭状态，这意味着阀门已完全关闭。 集成电路在一块硅片上包含大量晶体管。 它们旨在处理表示一和零的数字信号，也称为二进制码。 集成电路的发明帮助启动了现代计算机革命。

图$\PageIndex{6}$：真实世界的数据通常是模拟的，这意味着数据可以持续变化。 声音或视觉图像的强度值通常是模拟的。 这些数据被转换成数字信号，用于在记录设备或计算机中进行电子处理。 数字信号是通过要求一定的电压截止值从模拟信号生成的。