數(shù)字電路與邏輯設(shè)計第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元素，每個原子最外層電子數(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；光照增強——導(dǎo)電能力增強；摻入少量雜質(zhì)——導(dǎo)電能力增強。3、本征半導(dǎo)體經(jīng)過高度提純（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，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)體的特點是：原子核最外層的價電子是四個，是四價元素，它們排列成非常整齊的晶格結(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

2、性能4.1價電子與共價鍵在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每一個原子與相鄰的四個原子結(jié)合。每一原子的一個價電子與另一原子的一個價電子組成一個電子對。這對價電子是每兩個相鄰原子共有的，它們把相鄰的原子結(jié)合在一起，構(gòu)成所謂共價鍵的結(jié)構(gòu)。共價鍵硅原子共價鍵價電子價電子受到激發(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產(chǎn)生空穴4.2自由電子與空穴在價電子成為自由電子的同時，在它原來的位置上就出現(xiàn)一個空位，稱為空穴?？昭ū硎驹撐恢萌鄙僖粋€電子，丟失電子的原子顯正電，稱為正離子。自由電子又可

3、以回到空穴的位置上，使離子恢復(fù)中性，這個過程叫復(fù)合。硅原子共價鍵價電子產(chǎn)生與復(fù)合4.3空穴流與電子流在外電場的作用下，有空穴的原子可以吸引相鄰原子中的價電子，填補這個空穴。同時，在失去了一個價電子的相鄰原子的共價鍵中出現(xiàn)另一個空穴，它也可以由相鄰原子中的價電子來遞補，而在該原子中又出現(xiàn)一個空穴。如此繼續(xù)下去，就好像空穴在移動，空穴的運動形成了空穴流，其方向與電流方向相同。打一個通俗的比方，好比大家坐在劇院看節(jié)目，若一個座位的人走了，出現(xiàn)一個空位，鄰近座位的人去遞補這個空位并依次遞補下去，看起來就像空位子在運動一樣。而原子中自由電子的運動，則好像劇院中沒有位置的人到處找位置的運動一樣。因此，空穴

4、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，在外界電場的作用下能產(chǎn)生空穴流和電子流，它們的極性相反且運動方向相反，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。這個是半導(dǎo)體導(dǎo)電的極重要的一種特性?？昭▋r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)，這將使摻雜后的半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體)的導(dǎo)電性能大大增強。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（或其它五價元素）。每個磷原子有5個價電子故在構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)時將因增加一個電子而形成一個自由電子，這樣，

5、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，本征硅中當(dāng)磷摻雜量在10–6量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中滲入硼(或其它三價元素)。每個硼原子只有三個價電子故在構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)時將因缺少一個電子而形成一個空穴，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

6、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)目遠大于自由電子的數(shù)目。空穴為多數(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)量可達到少數(shù)載流子的1010倍或更多。二、半導(dǎo)體二極管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)，就會產(chǎn)生P型和N型半導(dǎo)體單獨存在所沒有的新特性。概念：擴散和漂移在PN結(jié)中，載流子（電子與空穴）有兩種運動形式，即擴散和漂移。擴散——由于濃度的不同而引起的載流子運動。比如，把藍墨水（濃度大）滴入一杯清水（濃度小）中，藍色分子會自動地四周擴散

7、開來，值到整杯水的顏色均勻為止。漂移——在電場作用下引起的載流子運動PN結(jié)的形成1、PN結(jié)的形成多數(shù)載流子的擴散運動形成PN結(jié)空間電荷區(qū)的一個重要特征是：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)（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)帶負電，因此內(nèi)部產(chǎn)生一個靜電場，耗盡