摘要：本節(jié)首先討論什么是信號(hào)，模擬信號(hào)和數(shù)學(xué)信號(hào)的定義。然后介紹半導(dǎo)體相關(guān)的一些基礎(chǔ)知識(shí)。

基本概念

信息：信息奠基人香農(nóng)(Shannon)認(rèn)為“信息是用來(lái)消除隨機(jī)不確定性的東西”，這一定義被人們看作是經(jīng)典性定義并加以引用。控制論創(chuàng)始人維納(Norbert Wiener)認(rèn)為“信息是人們?cè)谶m應(yīng)外部世界，并使這種適應(yīng)反作用于外部世界的過(guò)程中，同外部世界進(jìn)行互相交換的內(nèi)容和名稱(chēng)”，它也被作為經(jīng)典性定義加以引用。

消息：消息是信息的形式和載體。

信號(hào)：消息需要借助某些物理量(如聲、光、電)的變化來(lái)表示和傳遞，信號(hào)是反映消息的物理量，是消息的表現(xiàn)形式。

電信號(hào)：電信號(hào)是指隨時(shí)間而變化的電壓或電流，因此數(shù)學(xué)上可將它表示為時(shí)間的函數(shù)，即或。并可畫(huà)出波形。電子電路中的信號(hào)均為電信號(hào)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)。

模擬信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上均具有連續(xù)性，即對(duì)應(yīng)于任意時(shí)間均有確定的函數(shù)值或，并且或的幅值是連續(xù)取值的。

數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上均具有離散性，或的變化在時(shí)間上不連續(xù)。

模-數(shù)轉(zhuǎn)換A/D(Analog to Digtal)：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。

數(shù)-模轉(zhuǎn)換D/A(Digtal to Analog )：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)。

本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。

晶格：晶體中的原子在空間形成的排列整齊的點(diǎn)陣。

共價(jià)鍵：相鄰的兩原子的一對(duì)最外層電子(即價(jià)電子)不但圍繞自身所屬的原子核運(yùn)動(dòng)，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，這樣的組合稱(chēng)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。

空穴：價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得足夠的能量，從而掙脫共價(jià)鍵的束縛變成自由電子。與此同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位置，稱(chēng)為空穴。

載流子：運(yùn)載電荷的粒子稱(chēng)為載流子。導(dǎo)體導(dǎo)電只有一種載流子即自由電子導(dǎo)電。而本征半導(dǎo)體有兩種載流子，及自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。

本征激發(fā)：半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象。

復(fù)合：自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，使兩者同時(shí)消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為復(fù)合。

本征半導(dǎo)體載流子濃度：，和分別表示自由電子和空穴的濃度(),為熱力學(xué)溫度,為玻爾茲曼常數(shù),為熱力學(xué)零度時(shí)破話(huà)共價(jià)鍵所需要的能量，又稱(chēng)禁帶寬度(硅為,鍺為),是與半導(dǎo)體材料載流子的有效質(zhì)量、有效能級(jí)密度有關(guān)的常數(shù)(硅為,鍺為)。

雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素(如磷)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，固稱(chēng)自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子;前者簡(jiǎn)稱(chēng)為多子，后者為少子，由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱(chēng)為施主原子。

P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素(如硼)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中空穴為多子，自由電子為少子，因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱(chēng)為受主原子。

PN結(jié)

PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)具有單項(xiàng)導(dǎo)電性。

PN結(jié)的形成：

將下圖a的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體采用一定的工藝措施緊密地結(jié)合在一起，由于N區(qū)電子濃度遠(yuǎn)大于P區(qū)，P區(qū)的空穴濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)，因此N區(qū)的電子要穿過(guò)交界面向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴也要穿過(guò)交界面向N區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果，在交界面形成一個(gè)薄層區(qū)，在這薄層區(qū)內(nèi)，N區(qū)的電子已跑到P區(qū)，N區(qū)留下了帶正電的離子，形成N區(qū)帶正電;P區(qū)的空穴已被電子填充，P區(qū)留下了帶負(fù)電的原子，形成P區(qū)帶負(fù)電。這薄層稱(chēng)為空間電荷區(qū)，如下圖b所示。

這薄層的兩邊類(lèi)似已充電的電容器，形成由N→P的內(nèi)電場(chǎng)?？臻g電荷區(qū)內(nèi)基本上已沒(méi)有載流子，故又稱(chēng)為耗盡層，或稱(chēng)PN結(jié)。它具有很高的電阻率。顯然這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)形成后將阻礙多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng);同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)又使P區(qū)少數(shù)載流子電子向N運(yùn)動(dòng);使N區(qū)少數(shù)載流子空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)。這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)是同時(shí)存在的一對(duì)矛盾，開(kāi)始形成空間電荷區(qū)時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散是矛盾的主導(dǎo)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)即PN結(jié)不斷增寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，此時(shí)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱，而漂移運(yùn)動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)，在一定溫度時(shí)，最終擴(kuò)散、漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)平衡，PN結(jié)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，PN結(jié)之間再?zèng)]有定向電流。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?

外加正向電壓：PN結(jié)導(dǎo)通(導(dǎo)電)：如下圖a所示，將電源E串聯(lián)電阻R后正極接于P區(qū)，負(fù)極接于N區(qū)，這時(shí)稱(chēng)PN結(jié)外加正向電壓。在正向電壓作用下，PN結(jié)中的外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)方向相反，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，使空間電荷區(qū)變窄，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大地超過(guò)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，多數(shù)載流子很容易越過(guò)PN結(jié)，形成較大的正向電流，PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很小，因而處于導(dǎo)通狀態(tài)。串聯(lián)電阻是為了防止電流過(guò)大而可能燒毀PN結(jié)。

外加反向電壓，PN結(jié)截止(不導(dǎo)電)：上圖b中，將電源E的正極接于N區(qū)，負(fù)極接于P區(qū)，PN結(jié)外加反向電壓，或稱(chēng)PN結(jié)反向接法。此時(shí)外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)方向一致，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，使空間電荷區(qū)加寬，對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用加強(qiáng)，多數(shù)載流子幾乎不運(yùn)動(dòng)，但是，增強(qiáng)了的內(nèi)電場(chǎng)有利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，由于少數(shù)載流子的數(shù)量很少，只形成微小的反向電流，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大，因此處于截止?fàn)顟B(tài)。反向電流對(duì)溫度非常敏感，溫度每升高8~10℃，少數(shù)載流子形成的反向電流將增大1倍。PN結(jié)正向連接時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，正向電阻很小。PN結(jié)反向連接時(shí)，PN結(jié)截止，反向電阻極大。PN結(jié)特有的這種單向?qū)щ娞匦?，正是各種半導(dǎo)體器件的基本工作原理。

PN結(jié)的電流方程：

由理論分析可知，PN結(jié)所加電壓與流過(guò)他的電流的關(guān)系為：,式中為反向飽和電流，為電子的電量，為玻爾茲曼常數(shù)，為熱力學(xué)溫度。

PN結(jié)的伏安特性：

PN結(jié)的伏安特性曲線(xiàn)

上圖為PN結(jié)的伏安特性曲線(xiàn)，其中的部分被稱(chēng)為正向特性，的部分被稱(chēng)為反向特性。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定數(shù)值后，反向電流急劇增加，稱(chēng)之為反向擊穿。擊穿按照機(jī)理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。

齊納擊穿：在高摻雜的情況下，因耗盡層寬度很窄，不大的反向電壓就可在耗盡層形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，而直接破壞共價(jià)鍵，是價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，致使電流急劇增大，這種擊穿稱(chēng)為齊納擊穿。齊納擊穿電壓較低。

雪崩擊穿：如果摻雜濃度較低，耗盡層寬度較寬，那么低反向電壓下不會(huì)產(chǎn)生齊納擊穿。當(dāng)反向電壓增加到較大數(shù)值時(shí)，耗盡層的電場(chǎng)使少子加快漂移速度，從而與共價(jià)鍵中的價(jià)電子相碰撞，把價(jià)電子撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子與空穴被電場(chǎng)加速后又撞出其他價(jià)電子，載流子雪崩式的倍增，導(dǎo)致電流急劇增大，這種擊穿被稱(chēng)為雪崩擊穿。

PN結(jié)的電容效應(yīng)：

勢(shì)壘電容：當(dāng)PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現(xiàn)象與電容器的充、放電過(guò)程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容稱(chēng)為勢(shì)壘電容。

擴(kuò)散電容：PN結(jié)擴(kuò)散電容是來(lái)自于非平衡少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)非平衡少子)在PN結(jié)兩邊的中性區(qū)內(nèi)的電荷存儲(chǔ)所造成的電容效應(yīng)(因?yàn)樵谥行詳U(kuò)散區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)有等量的非平衡電子和非平衡空穴的電荷，它們的數(shù)量受到結(jié)電壓控制)。這種由于注入載流子存儲(chǔ)電荷隨著電 壓變化所產(chǎn)生的擴(kuò)散電容將隨正向電壓而按指數(shù)式增大。