數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)第2講-附

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1、第二講邏輯門電路－附一、半導(dǎo)體的基本知識(shí)1、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價(jià)元素，每個(gè)原子最外層電子數(shù)為4。++SiGe2、半導(dǎo)體材料的特性純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差；溫度升高——導(dǎo)電能力增強(qiáng)；光照增強(qiáng)——導(dǎo)電能力增強(qiáng)；摻入少量雜質(zhì)——導(dǎo)電能力增強(qiáng)。3、本征半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)高度提純（99.99999%）的單一晶格結(jié)構(gòu)的硅或鍺原子構(gòu)成的晶體，或者說(shuō)，完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)是：原子核最外層的價(jià)電子是四個(gè)，是四價(jià)元素，它們排列成非常整齊的晶

2、格結(jié)構(gòu)。所以半導(dǎo)體又稱為晶體。4、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能4.1價(jià)電子與共價(jià)鍵在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合。每一原子的一個(gè)價(jià)電子與另一原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對(duì)。這對(duì)價(jià)電子是每?jī)蓚€(gè)相鄰原子共有的，它們把相鄰的原子結(jié)合在一起，構(gòu)成所謂共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵硅原子共價(jià)鍵價(jià)電子價(jià)電子受到激發(fā)，形成自由電子并留下空穴。半導(dǎo)體中的自由電子和空穴都能參與導(dǎo)電——半導(dǎo)體具有兩種載流子。這是與金屬導(dǎo)體的一個(gè)很大的區(qū)別，金屬導(dǎo)體只有電子一種載流子。自由電子和空穴同時(shí)產(chǎn)生空穴4.2自由電子與空穴在價(jià)電子成為自由電子的同時(shí)，在它原來(lái)的位置上

3、就出現(xiàn)一個(gè)空位，稱為空穴。空穴表示該位置缺少一個(gè)電子，丟失電子的原子顯正電，稱為正離子。自由電子又可以回到空穴的位置上，使離子恢復(fù)中性，這個(gè)過(guò)程叫復(fù)合。硅原子共價(jià)鍵價(jià)電子產(chǎn)生與復(fù)合4.3空穴流與電子流在外電場(chǎng)的作用下，有空穴的原子可以吸引相鄰原子中的價(jià)電子，填補(bǔ)這個(gè)空穴。同時(shí)，在失去了一個(gè)價(jià)電子的相鄰原子的共價(jià)鍵中出現(xiàn)另一個(gè)空穴，它也可以由相鄰原子中的價(jià)電子來(lái)遞補(bǔ)，而在該原子中又出現(xiàn)一個(gè)空穴。如此繼續(xù)下去，就好像空穴在移動(dòng)，空穴的運(yùn)動(dòng)形成了空穴流，其方向與電流方向相同。打一個(gè)通俗的比方，好比大家坐在劇院看節(jié)目，若一個(gè)座位的人走了，出現(xiàn)一個(gè)空位，

4、鄰近座位的人去遞補(bǔ)這個(gè)空位并依次遞補(bǔ)下去，看起來(lái)就像空位子在運(yùn)動(dòng)一樣。而原子中自由電子的運(yùn)動(dòng)，則好像劇院中沒(méi)有位置的人到處找位置的運(yùn)動(dòng)一樣。因此，空穴流和電子流是有所不同的。在金屬導(dǎo)體中只有電子這種載流子，而半導(dǎo)體中存在空穴和電子兩種載流子，在外界電場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生空穴流和電子流，它們的極性相反且運(yùn)動(dòng)方向相反，所以，產(chǎn)生的電流方向是一致的，總電流為空穴流和電子流之和。這個(gè)是半導(dǎo)體導(dǎo)電的極重要的一種特性?？昭▋r(jià)電子5、雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)目極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素)，這將使摻

5、雜后的半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體)的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入磷（或其它五價(jià)元素）。每個(gè)磷原子有5個(gè)價(jià)電子故在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將因增加一個(gè)電子而形成一個(gè)自由電子，這樣，在半導(dǎo)體中就形成了大量自由電子。這種以自由電子導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。SiGe+P=N型P+多余電子SiSiSiSiSiSiP摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式，稱之為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。特點(diǎn)在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。室溫情況下，本征硅中

6、當(dāng)磷摻雜量在10–6量級(jí)時(shí)，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬(wàn)倍P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中滲入硼(或其它三價(jià)元素)。每個(gè)硼原子只有三個(gè)價(jià)電子故在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空穴，這樣，在半導(dǎo)體中就形成了大量空穴。這種以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。SiGe+B=P型SiSiSiSiSiSiB+B空穴摻硼的半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子的數(shù)目?？昭槎鄶?shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體一般情況下，摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子的1010倍或更多。二、半導(dǎo)體二極

7、管PN結(jié)是由P型和N型半導(dǎo)體組成的，但它們一旦形成PN結(jié)，就會(huì)產(chǎn)生P型和N型半導(dǎo)體單獨(dú)存在所沒(méi)有的新特性。概念：擴(kuò)散和漂移在PN結(jié)中，載流子（電子與空穴）有兩種運(yùn)動(dòng)形式，即擴(kuò)散和漂移。擴(kuò)散——由于濃度的不同而引起的載流子運(yùn)動(dòng)。比如，把藍(lán)墨水（濃度大）滴入一杯清水（濃度小）中，藍(lán)色分子會(huì)自動(dòng)地四周擴(kuò)散開來(lái)，值到整杯水的顏色均勻?yàn)橹?。漂移——在電?chǎng)作用下引起的載流子運(yùn)動(dòng)PN結(jié)的形成1、PN結(jié)的形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成PN結(jié)空間電荷區(qū)的一個(gè)重要特征是：在此區(qū)間中，電子和空穴相互復(fù)合，束縛于共價(jià)鍵內(nèi)，造成主要載流子不足，因此，空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)

8、（耗損層）。由于主要載流子的不足，耗損層的電阻率非常高，比P區(qū)和N區(qū)的電阻率高得多。在耗盡層內(nèi)N型側(cè)帶正電，P型側(cè)帶負(fù)電，因此內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)，耗盡