全新的半導體基礎知識

全新的半導體基礎知識

周金富

摘 要

《全新的半導體基礎知識》首先對流行于電子書刊上數(shù)十年之久的經(jīng)典半導體基礎知識中存在的謬誤進行了全方位的討論，然后以半導體內(nèi)部結構為抓手，以G型半導體（客供電子型半導體）、H型半導體（主供電子型半導體）和HG結為重點，詳細敘述了作者經(jīng)過數(shù)年潛心研究后提出的完全能夠解釋得通的且合理可信的全新半導體基礎知識，最后通過對常見半導體器件工作原理的解讀，證實全新半導體基礎知識的合理性和可信性。

關 鍵 詞

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正 文

正文目錄

第一部分 對經(jīng)典半導體基礎知識的討論3

1.“自由電子”問題3

2.“空穴”問題4

3.“P型半導體”問題5

4.“PN結”問題6

5.“PN結單向導電性”問題6

6.“電子越過集電結”問題7

7.“MOS管控制導通電流”問題7

第二部分 全新半導體基礎知識9

2.1 本征半導體10

2.2 摻雜半導體11

2.2.1 G型半導體11

2.2.2 H型半導體12

2.3 HG結13

2.3.1 HG結的結構13

2.3.2 HG結的導電特性13

2.3.3 HG結的工作原理14

2.4 全新半導體基礎知識的應用要點15

第三部分 用全新半導體基礎知識解讀半導體器件的工作原理17

3.1 二極管17

3.1.1 二極管的結構17

3.1.2 二極管的導電特性17

3.1.3 二極管的工作原理19

3.2 三極管21

3.2.1 三極管的結構21

3.2.2 三極管的導電特性23

3.2.3 三極管的工作原理28

1. GHG管和HGH管的工作原理28

2. GMOS管和HMOS管的工作原理29

3.3 雪崩管33

3.3.1 雪崩管的結構33

3.3.2 雪崩管的導電特性34

3.3.3 雪崩管的工作原理37

第一部分 對經(jīng)典半導體基礎知識的討論

在電子技術創(chuàng)立的初期，由于對半導體的認識比較膚淺，加之在猜想過程中又選擇了錯誤的假設，致使經(jīng)典的半導體基礎知識中出現(xiàn)了一些或者是無中生有的、或者是邏輯混亂的、或者是自相矛盾的、或者是牽強附會的認知和結論，這些錯誤的認知和結論，不僅對教師的講授和學生的學習帶來了很大的困惑，而且還因與正確的半導體基礎知識不符而對開發(fā)制造半導體器件失去了指導意義。

綜合本人在教學中的發(fā)現(xiàn)和電子業(yè)界中許多專家學者發(fā)表在互聯(lián)網(wǎng)上的文獻資料，數(shù)十年來流行于當今電子技術書籍上的經(jīng)典半導體基礎知識中主要在自由電子、空穴、P型半導體、PN結、PN結單向導電性、電子越過集電結、MOS管控制導通電流這7個方面存在錯誤的認知或錯誤的結論，下面我們依據(jù)原子理論、電學理論、化學理論和相關電子技術文獻中已經(jīng)公認的知識點對這7個方面存在的問題進行逐一的剖析和討論。

1.“自由電子”問題

疑點：在溫度、光照、電場力等外力作用時，半導體中原子上的價電子很容易脫離自身的運行軌道而成為自由電子。

討論：嚴格來說，半導體有3種——四價的本征半導體、四價本征半導體中摻入五價雜質元素的摻雜半導體和四價本征半導體中摻入三價雜質元素的摻雜半導體，化學分析研究證實，這3種半導體中的原子排列結構示意圖分別如圖1（a）、圖1（b）和圖1（c）所示。

從圖1可以看出，本征半導體中的原子上只有一種受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子，而摻雜半導體中的原子上除了有受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子以外還有一種只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的價電子，由此我們可以得知，在溫度、光照、電場力等外力作用于半導體時：

①把受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子拉出價電子軌道所需的外力非常大，而把只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的價電子拉出價電子軌道所需的外力卻比較小。

②正因為把受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子拉出價電子軌道所需的外力遠大于把只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的價電子拉出價電子軌道所需的外力，所以半導體中的自由電子實際都是被外力拉出來的只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的價電子。

③在同等大小的外力作用于半導體時，本征半導體中能拉出來的價電子數(shù)量是微乎其微到接近于零的，而摻雜半導體中能拉出來的價電子數(shù)量卻是非常龐大的——摻雜半導體中能夠出現(xiàn)的自由電子數(shù)量是本征半導體中能夠出現(xiàn)的自由電子數(shù)量的幾十萬倍甚至幾百萬倍。

圖1 3種半導體中的原子排列結構示意圖

結論：半導體中只有只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的價電子能被拉出價電子軌道而成為自由電子！絕不可以錯誤地認為受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子也能被拉出價電子軌道而成為自由電子！

2. “空穴”問題

疑點：摻雜半導體中存在空穴、空穴帶正電、空穴是運載電荷的載流子。

討論：我們先來討論一下?lián)诫s半導體中到底有沒有“空穴”。

①從圖1中我們可以清楚地看出：無論是在四價本征半導體中摻入五價雜質元素還是在四價本征半導體中摻入三價雜質元素，摻雜半導體中的三價元素、四價元素、五價元素都仍是完整的原子，三價雜質元素的價電子軌道上、四價本征元素的價電子軌道上、五價雜質元素的價電子軌道上都沒有出現(xiàn)所謂的“空穴”，所以化學分析研究為我們證明了摻雜半導體中并不存在所謂的“空穴”。

②原子理論明確指出：原子是由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子組成的，原子核又是由帶正電荷的質子和不帶電荷的中子組成的，原子理論的這段表述充分證明了任何原子上都不存在所謂的“空穴”。既然摻雜半導體中的三價元素、四價元素、五價元素都仍是完整的原子，所以原子理論也為我們證明了摻雜半導體中并不存在所謂的“空穴”。

我們再來看看所謂的“空穴”到底是不是帶正電，到底是不是運載電荷的載流子。

①原子理論明確指出：原子中質子數(shù)量等于電子數(shù)量，且每個質子所帶電量的數(shù)值與每個電子所帶電量的數(shù)值完全相等但極性相反（質子帶正電荷，電子帶負電荷），這樣原子對外才會呈電中性；如果一個原子上失去一個電子，那么這個原子將變成一個對外呈帶正極性電荷的正離子。這些原子理論證明，只有正離子才帶正電荷，而不是所謂的“空穴”帶正電荷！

②電學理論和原子理論都明確指出：電流都是自由電子作定向移動形成的。這句話就已十分明確地否定了“空穴”運載電荷的說法；電學理論和原子理論還明確指出：電源內(nèi)部某種外力把帶負電荷的電子從正極板移向負極板，外導體中電場力把帶負電荷的電子從負極板移向正極板。這句話也充分證明了電路中只有電子在運載電荷，而沒有所謂的“空穴”在運載電荷。

結論：摻雜半導體中根本就不存在也絕對不會出現(xiàn)所謂的“空穴”！“摻雜半導體中存在空穴、空穴帶正電、空穴是運載電荷的載流子”一說純粹是一個無中生有憑空捏造出來的錯誤認知。

3. “P型半導體”問題

疑點：有P型（空穴導電型）和N型（電子導電型）兩種半導體；P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，N型半導體中電子是多數(shù)載流子。

討論：我們先來討論一下?lián)诫s半導體中到底有沒有P型（空穴導電型）半導體。

①當“摻雜半導體中根本就不存在也絕對不會出現(xiàn)所謂的‘空穴’”這個結論被證明成立時，“有P型（空穴導電型）和N型（電子導電型）兩種半導體”這個錯誤認知也就沒有再繼續(xù)討論的必要了——摻雜半導體中根本就沒有空穴存在，又怎么會有P型（空穴導電型）半導體呢？

②仔細觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)：摻入五價雜質元素的半導體中五價雜質原子上存在一個只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的價電子，摻入三價雜質元素的半導體中一部分四價本征原子上也存在一個只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的價電子，在電場力作用時，這兩種摻雜半導體中只有只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的價電子才能夠脫離自身的運行軌道成為自由電子并形成定向移動的電流。顯而易見，摻入五價雜質元素的摻雜半導體和摻入三價雜質元素的摻雜半導體都是電子導電型半導體！既然兩種摻雜半導體都是電子導電型半導體，怎么可能會有P型（空穴導電型）半導體存在呢？

我們再來看看所謂的P型半導體中“空穴”到底是不是多數(shù)載流子。

電子教科書在自己的文中非常清楚地強調(diào)：自由電子總是與空穴結伴而生，每出現(xiàn)一個自由電子，就必然會同時出現(xiàn)一個空穴，這就是說，無論怎么摻雜，摻雜半導體中自由電子的數(shù)量永遠和空穴的數(shù)量是一樣多的。既然如此，P型半導體中空穴怎么可能是多數(shù)載流子？N型半導體中電子又怎么可能是多數(shù)載流子？

結論：摻雜半導體中沒有P型（空穴導電型）半導體！更沒有“P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，N型半導體中電子是多數(shù)載流子”這一無中生有且自相矛盾的說法！

4. “PN結”問題

疑點：PN結是P區(qū)空穴擴散進N區(qū)后在P區(qū)留下帶負電的離子、N區(qū)電子擴散進P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的，PN結上存在一個0.6V的內(nèi)電場。

討論：我們先來討論一下PN結到底是不是P區(qū)空穴擴散進N區(qū)后在P區(qū)留下帶負電的離子、N區(qū)電子擴散進P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的。

①當“摻雜半導體中沒有P型（空穴導電型）半導體”這個結論被證明成立時，“PN結是P區(qū)空穴擴散進N區(qū)后在P區(qū)留下帶負電的離子、N區(qū)電子擴散進P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的”這個PN結形成機理也就無法再解釋得通了——沒有了P型半導體，也就沒有了空穴，PN結還如何形成？

②按照電子教科書上所說的電子與空穴復合的理論，擴散進N區(qū)的空穴應該與電子復合而消失，N區(qū)這一側應該呈電中性，怎么會出現(xiàn)帶正電的離子？同樣，擴散進P區(qū)的電子應該與空穴復合而消失，P區(qū)這一側也應該呈電中性，怎么會出現(xiàn)帶負電的離子？很顯然，用“PN結是P區(qū)空穴擴散進N區(qū)后在P區(qū)留下帶負電的離子、N區(qū)電子擴散進P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的”來解釋PN結的形成機理是自相矛盾且邏輯混亂的！

我們再來看看PN結上到底存在不存在一個0.6V的內(nèi)電場。

大家知道，我們只在光電管或光電池上測出過電流或電壓，但這并不能證明這就是PN結上的內(nèi)電場，因為光電管和光電池是采用特殊的雜質元素和特定的工藝做出來的，并且是只有在有光照時才有隨光照強度變化而變化的電流或電壓出現(xiàn)。試問：有誰在PN結上測出過內(nèi)電場的電壓？我用最精密的電子毫伏表也從來未測出過，顯然，“PN結上存在一個0.6V的內(nèi)電場”是一個偽命題，完全是憑空想象出來的產(chǎn)物。

結論：用“PN結是P區(qū)空穴擴散進N區(qū)后在P區(qū)留下帶負電的離子、N區(qū)電子擴散進P區(qū)后在N區(qū)留下帶正電的離子形成的”來解釋PN結的形成機理是解釋不通的！“PN結上存在一個0.6V的內(nèi)電場”更是一個無中生有憑空想象出來的錯誤認知！

5. “PN結單向導電性”問題

疑點：PN結具有單向導電的特性。

討論：雖然電子教科書上PN結的形成機理是解釋不通的，但電子教科書上所說的“PN結反偏時有極微小的反向電流通過”、“二極管其實就是一個PN結因此二極管反偏時也有極微小的反向電流通過”、“三極管中的電子可以越過反偏的集電結進入集電區(qū)”這3種情況倒是都是事實，這些事實都證明PN結反偏時是有反向電流通過的。既然PN結反偏時是有反向電流通過的即PN結反偏時是反向導通的，為何偏要把PN結說成是具有單向導電的特性呢？

結論：“PN結具有單向導電的特性”是一個牽強附會且邏輯混亂的結論！

6. “電子越過集電結”問題

疑點：電子越過反向偏置的集電結進入集電區(qū)。

討論：按照電子教科書上的結論，PN結具有正偏時導通反偏時截止的單向導電性，既然如此，怎么三極管上的PN結反偏時卻能導通了呢？難道是二極管中的PN結具有單向導電性而三極管中的PN結是具有雙向導電性的？或者就三極管本身來說，發(fā)射區(qū)與基區(qū)構成的PN結具有正偏時導通反偏時截止的單向導電性，而基區(qū)與集電區(qū)構成的PN結卻具有反偏時導通正偏時截止的單向導電性？這不是前后自相矛盾嗎？

結論：“電子越過反向偏置的集電結進入集電區(qū)”這個說法與“PN結具有單向導電的特性”這個結論是自相矛盾的。

7. “MOS管控制導通電流”問題

疑點：MOS管是利用導電溝道中感應電荷的多少來控制導通電流的大小的。

討論：這里我們依據(jù)圖2（a）所示的電子教科書上用于解釋工作原理的MOS管的結構圖和圖2（b）所示的集成電路中實際MOS管的結構圖來討論這個問題。

圖2 MOS管的結構示意圖和實際結構圖

按照電子教科書上用于解釋MOS管工作原理的MOS管結構圖，襯底電極U與絕緣層上柵極電極G是相對平行的，這樣對PMOS管來說，電場力就可以使柵極的對面感應出帶負電荷的反型層從而形成導電溝道，電場力越強，導電溝道就越寬，導通電流也就越大；而對于NMOS管來說，電場力就可以使柵極的對面感應出帶正電荷的反型層從而形成導電溝道，電場力越強，導電溝道就越寬，導通電流也就越大，這樣解釋MOS管的工作原理似乎也合理。但現(xiàn)實的問題是：第一，集成電路中實際MOS管的結構圖中，MOS管的襯底電極U與絕緣層上柵極電極G并不是相對平行的，試問這種結構是如何在柵極的對面感應出反型層的？第二，電子教科書上說P型半導體中幾乎沒有自由電子、N型半導體中幾乎沒有空穴，那么，怎么可能在P型半導體中感應出由電子組成的導電溝道、其電子又是從哪里來的？又怎么可能在N型半導體中感應出由空穴組成的導電溝道、其空穴又是從哪里來的？由此看來，用感應電荷形成導電溝道來解釋MOS管工作原理也是十分牽強而無說服力的！

結論：“MOS管是利用導電溝道中感應電荷的多少來控制導通電流的大小的”這個認知也是一個憑空想象出來的牽強附會的認知。

綜合上述的剖析我們可以看出，無中生有、牽強附會、邏輯混亂的錯誤認知和錯誤結論已經(jīng)使經(jīng)典半導體基礎知識成了一套自相矛盾難圓其說且難以讓人信服的理論，不僅僅是電子業(yè)界中的專家學者們就連一些電子教師們甚至初涉電子技術的莘莘學子們都對經(jīng)典半導體基礎知識提出了強烈的質疑。面對此情此景，置身于電子業(yè)界中的我們該怎么做？本人按照“提出質疑→大膽猜想→設法證明”的科學發(fā)現(xiàn)（或科學發(fā)明）規(guī)則，上下求索、苦苦思考，悟出了一套完全能夠解釋得通的且合理可信的全新半導體基礎知識。

第二部分 全新半導體基礎知識

自然界中的物質按導電能力來劃分，可以分為導體、絕緣體和半導體三大類。電阻率小于的物質稱為導體，導體的導電能力很好；電阻率大于的物質稱為絕緣體，絕緣體的導電能力極差；電阻率在～之間的物質稱為半導體，半導體（嚴格來說應是摻雜半導體）的導電能力介于導體和絕緣體之間。

導體、絕緣體和半導體都是同一自然界的物質，為什么卻具有不同的導電能力呢？回答這個問題需從化學理論、原子理論和電學理論說起。

化學分析結果告訴我們：物質是由分子組成的，分子又是由原子組成的，而原子則是由帶負電荷的電子和帶正電荷的原子核組成的，由于電荷具有異性相吸同性相斥的特性，因此在原子核的吸引力作用下，電子總是按照既定的空間結構分層排列在原子核的周圍。原子最外層的電子稱為價電子，一個原子有幾個價電子，該原子就稱為幾價元素。

物質的分子中，原子排列得非常緊密（原子間距約為），這就使得每個價電子除了受到自身原子核的吸引力外，還將受到鄰近原子核的吸引力，于是就出現(xiàn)了兩個相鄰原子共用一對價電子這一特殊現(xiàn)象，顯然這一對價電子是把相鄰兩原子緊密聯(lián)系在一起的紐帶，化學理論中把這條紐帶稱為共價鍵。一個原子有幾個價電子，就有幾條共價鍵與相鄰的幾個原子聯(lián)系，顯而易見，一個原子的共價鍵越多，分子結構就越穩(wěn)定，價電子也就越不容易脫離自身的運行軌道，反之，一個原子的共價鍵越少，分子結構就越不穩(wěn)定，價電子也就越容易脫離自身的運行軌道。研究和實驗證明：由于價電子既受原子核的束縛同時又受共價鍵的束縛，所以只有在足夠大的電場力作用時，價電子才能脫離自身的運行軌道而成為無規(guī)律自由運動的自由電子，一旦電場力消失，自由電子又會被離其最近的正離子（失去價電子的原子稱為正離子）吸引而回歸到價電子軌道上。

電學理論告訴我們：電壓產(chǎn)生的電場中，帶負電荷的自由電子會從電位低的地方向電位高的地方產(chǎn)生定向移動。帶負電荷的自由電子從電位低的地方向電位高的地方作定向移動稱為形成電子流，電子流移動的反方向規(guī)定為電流的方向。研究和實驗都證明：電流都是由自由電子作定向移動形成的。

現(xiàn)在我們來解釋導體、絕緣體和半導體具有不同導電能力的原理。

由于導體都是低價元素，一般只有兩條甚至只有一條共價鍵，因此分子結構極不穩(wěn)定，價電子很容易脫離自身運行軌道而成為自由電子，這樣在電場力作用下，大量的自由電子就會后浪推前浪般的群體定向移動，從而形成很大的電流，故導體的導電能力很好。

由于絕緣體都是高價元素，一般都有7條甚至8條共價鍵，因此分子結構極其穩(wěn)定，價電子很難脫離自身的運行軌道，這樣在電場力作用下，幾乎就沒有自由電子作定向移動，自然也就無法形成電流，故絕緣體的導電能力極差。

由于半導體都是四價元素，具有4條共價鍵，因此分子結構既不象導體那樣極不穩(wěn)定又不象絕緣體那樣極其穩(wěn)定，但這種特殊結構卻很容易被通過摻雜來改變，摻雜后的半導體中容易脫離自身運行軌道的價電子數(shù)量可以增加到既不象導體那樣多又不象絕緣體那樣少，這樣在電場力作用下，作定向移動的自由電子數(shù)量只能是多于絕緣體而少于導體，從而形成不同大小的電流，故半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間。

半導體到底有什么用途？其工作機理又是怎樣的呢？下面我們詳細討論這個問題。

2.1本征半導體

未經(jīng)提純的含有無用雜質的半導體稱為雜質半導體。雜質半導體沒有實用意義，必須將其進行99.9999999％的提純并拉制成具有完整晶體結構的硅棒后，才具有實用價值。

純凈的具有完整單晶結構的半導體稱為本征半導體，目前應用最為廣泛的本征半導體是由硅棒切成的硅片（俗稱晶圓）。本征半導體是制造各種半導體器件所必需的基礎材料。硅本征半導體的原子空間結構圖和原子排列結構示意圖如圖3所示。

圖3 硅本征半導體的原子空間結構圖和原子排列結構示意圖

本征半導體中，由于硅原子上有4個價電子，因此每個硅原子都有4條共價鍵與相鄰的4個硅原子聯(lián)系，這樣一來，所有價電子的運行軌道就被共價鍵聯(lián)結成了一張“價電子網(wǎng)”，現(xiàn)代半導體理論把這張“價電子網(wǎng)”稱為價帶，而把價帶以外的區(qū)域也就是原子間的空隙部分稱為導帶。

本征半導體中，由于價電子受到原子核和共價鍵的雙重束縛，故外力（特強的電場力除外）很難使價電子脫離自身的運行軌道，這就使得本征半導體中無法出現(xiàn)自由電子，在電場力作用時自然也就無法形成電流，因此本征半導體的電阻率高達，即導電能力與絕緣體差不多。

上述對本征半導體的分析研究使我們清醒地認識到，本征半導體的導電能力之所以與絕緣體差不多，主要原因就在于本征半導體中沒有很容易脫離自身運行軌道的價電子，那么，有什么辦法能使本征半導體中出現(xiàn)很容易脫離自身運行軌道的價電子，從而改變本征半導體的導電能力呢？科學家們想到了在本征半導體中摻入有用雜質元素的方法。

2.2摻雜半導體

所謂摻雜，就是根據(jù)需要采用特定的工藝把特定的微量高純度雜質元素注入并擴散到本征半導體中。摻入微量有用雜質元素后的本征半導體稱為摻雜半導體。

2.2.1 G型半導體

若在四價的本征半導體中摻入千萬分之一到百萬分之一的高純度五價雜質元素，這些雜質原子將均勻地分布在本征原子間并與本征原子進行有規(guī)律的重新組合，則這塊本征半導體就變成了摻雜半導體。當1個五價雜質原子與4個四價本征原子結合起來時，雜質原子上就會有1個價電子出現(xiàn)在價電子軌道上遠離共價鍵的地方，由于這個價電子雖受五價原孒核束縛但卻不受共價鍵束縛，因此極易脫離自身的運行軌道而成為自由電子，我們把受原孒核束縛但不受共價鍵束縛的價電子稱為易脫價電子，同時把由雜質原子提供易脫價電子的摻雜半導體稱為客供（Guest provides）電子型半導體，并簡稱為G型半導體。

G型半導體的結構示意圖和電子移動示意圖如圖4所示。

圖4 G型半導體的結構示意圖和電子移動示意圖

G型半導體中，本征原子的結構和雜質原子的結構都沒有發(fā)生變化，仍然都是完整的原子，五價雜質原子的價電子軌道上仍然只有5個價電子，四價本征原子的價電子軌道上仍然只有4個價電子，唯一發(fā)生變化的就是每個五價雜質原子的價電子軌道上有1個價電子變成了只受原孒核束縛卻不受共價鍵束縛的易脫價電子。

G型半導體中，本征原子上以及雜質原子上受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子在電場力作用時都很難脫離自身的運行軌道，故都不參與導電，只有五價雜質原子上只受原孒核束縛卻不受共價鍵束縛的易脫價電子在電場力作用時會很容易地脫離自身的運行軌道而成為自由電子，并從電位低的地方向電位高的地方作定向移動而形成電流。顯而易見，G型半導體中的電流是電場力把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子后作定向移動形成的，因此G型半導體是一種由雜質原子提供易脫價電子的電子導電型半導體。

摻雜半導體的導電能力用電阻率來表征，而電阻率的大小則與摻雜濃度n和自由電子遷移率的乘積n成反比，即

對于G型半導體來說，由于摻入五價質元素后，易脫價電子是由雜質原子提供的，本征原子中并沒有出現(xiàn)正離子，故使整個導帶呈現(xiàn)出電中性，不會對在導帶中移動的帶負電荷的自由電子產(chǎn)生吸引力，這將有利于在本征原子間移動的自由電子的遷移率。很顯然，我們只要把摻入五價雜質元素的濃度精確地控制在千萬分之一到百萬分之一之間，就能夠把G型半導體的電阻率控制在～的范圍內(nèi)。

2.2.2 H型半導體

若在四價的本征半導體中摻入千萬分之一到百萬分之一的高純度三價雜質元素，這些雜質原子將均勻地分布在本征原子間并與本征原子進行有規(guī)律的重新組合，則這塊本征半導體也變成了摻雜半導體。當1個三價雜質原子與4個四價本征原子結合起來時，其中一個本征原子上就會有1個價電子出現(xiàn)在價電子軌道上遠離共價鍵的地方，由于這個價電子雖受四價原孒核束縛但卻不受共價鍵束縛，因此極易脫離自身的運行軌道而成為自由電子，我們把由本征原子提供易脫價電子的摻雜半導體稱為主供（Host provides）電子型半導體，并簡稱為H型半導體。

H型半導體的結構示意圖和電子移動示意圖如圖5所示。

圖5 H型半導體的結構示意圖和電子移動示意圖

（圖4和圖5中的空心小圓圈僅表示被拉走成為自由電子的價電子原來所在的位置）

H型半導體中，本征原子的結構和雜質原子的結構都沒有發(fā)生變化，仍然都是完整的原子，三價雜質原子的價電子軌道上仍然只有3個價電子，四價本征原子的價電子軌道上仍然只有4個價電子，唯一發(fā)生變化的就是部分四價本征原子的價電子軌道上有1個價電子變成了只受原孒核束縛卻不受共價鍵束縛的易脫價電子。

H型半導體中，本征原子上以及雜質原子上受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子在電場力作用時都很難脫離自身的運行軌道，故都不參與導電，只有部分四價本征原子上只受原孒核束縛卻不受共價鍵束縛的易脫價電子在電場力作用時會很容易地脫離自身的運行軌道而成為自由電子，并從電位低的地方向電位高的地方作定向移動而形成電流。顯而易見，H型半導體中的電流也是電場力把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子后作定向移動形成的，因此H型半導體是一種由本征原子提供易脫價電子的電子導電型半導體。

對于H型半導體來說，由于摻入三價雜質元素后，易脫價電子是由本征原子提供的，因而在本征原子中出現(xiàn)了大量的正離子，這些正離子不僅使整個導帶呈現(xiàn)出正極性，正離子所帶的正電荷還將對在導帶中移動的帶負電荷的自由電子產(chǎn)生吸引力，這將不利于在本征原子間移動的自由電子的遷移率。很顯然，我們只要把摻入三價雜質元素的濃度精確地控制在千萬分之一到百萬分之一之間，就能夠把H型半導體的電阻率控制在～的范圍內(nèi)。

2.3HG結

2.3.1 HG結的結構

先把片狀硅本征半導體摻雜成較高濃度的H型半導體，再把H型半導體上的一部分摻雜成較高濃度的G型半導體，或者先把片狀硅本征半導體摻雜成較高濃度的G型半導體，再把G型半導體上的一部分摻雜成較高濃度的H型半導體，這樣就得到了一個H型半導體與G型半導體的結合體。

把H型半導體的一部分摻雜成G型半導體或者把G型半導體的一部分摻雜成H型半導體所得到的H型半導體與G型半導體的結合體稱為HG結。

HG結的結構示意圖如圖6所示。

圖6 HG結的結構示意圖

2.3.2 HG結的導電特性

對于HG結，我們在這里強調(diào)：

①HG結的導電特性除必須考慮導通和截止兩種工作狀態(tài)以及必須考慮導通與截止的條件分別是什么外，還必須考慮導通程度的深淺。

②只有自由電子從一個區(qū)域向緊鄰的另一個區(qū)域作定向移動時，我們才能認為HG結是處于導通狀態(tài)的，否則就認為HG結是處于截止狀態(tài)的。

③給HG結外加電壓時，有兩種連接方式：第一種接法是H型區(qū)接直流電壓的正極端G型區(qū)接直流電壓的負極端，人們把H型區(qū)接直流電壓的正極端G型區(qū)接直流電壓的負極端這種連接方式稱為給HG結加正向偏置電壓，簡稱為正偏；第二種接法是G型區(qū)接直流電壓的正極端H型區(qū)接直流電壓的負極端，人們把G型區(qū)接直流電壓的正極端H型區(qū)接直流電壓的負極端這種連接方式稱為給HG結加反向偏置電壓，簡稱為反偏。

現(xiàn)在我們通過圖7所示的實驗電路來探尋HG結的導電特性。

我們先把HG結的H型區(qū)接直流電壓的正極端、G型區(qū)接直流電壓的負極端，從實驗中得知：當正偏電壓＜0.5V時，HG結中沒有電流通過，此時HG結處于截止狀態(tài)；當正偏電壓≥0.5V時，HG結中開始出現(xiàn)正向電流并隨著正偏電壓的增大而增大，此時HG結處于正向導通狀態(tài)。

我們再把HG結的G型區(qū)接直流電壓的正極端、H型區(qū)接直流電壓的負極端，從實驗中得知：當反偏電壓＜0.5V時，HG結中沒有電流通過，此時HG結處于截止狀態(tài)；當反偏電壓≥0.5V時，HG結中開始出現(xiàn)反向電流并隨著反偏電壓的增大而增大，此時HG結處于反向導通狀態(tài)。

圖7 探尋HG結導電特性的實驗電路

換用不同摻雜濃度的HG結重復上述實驗，我們總結出的HG結的導電特性是：

①HG結有三種工作狀態(tài)——截止狀態(tài)、正向導通狀態(tài)和反向導通狀態(tài)。當HG結上加＜0.5V的正偏電壓時以及加＜0.5V的反偏電壓時截止、加≥0.5V的正偏電壓且低電位區(qū)域存在易脫價電子時正向導通、加≥0.5V的反偏電壓且低電位區(qū)域存在易脫價電子時反向導通。

②HG結導通后，導通電流隨偏置電壓的變化而變化，即偏置電壓變大時導通電流也變大、偏置電壓變小時導通電流也變小。

2.3.3 HG結的工作原理

仔細分析HG結的結構和導電特性可以讓我們認識到：HG結是利用“當偏置電壓足夠大時，HG結中低電位區(qū)域的易脫價電子將被電場力拉到導帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動”這一原理進行工作的。

HG結上加＜0.5V的正偏電壓時，雖然G型區(qū)中有大量的易脫價電子，但由于此時電場力太小還無力把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，故沒有自由電子可移動，或者是由于此時電場力較小只夠把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，卻無力去移動G型區(qū)中的自由電子，所以HG結中沒有電流通過。

當HG結上所加的正偏電壓≥0.5V時，由于G型區(qū)中存在大量的易脫價電子，電場力又已具備了把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子的能力并有余力去移動G型區(qū)中的自由電子，所以G型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型區(qū)，從而使HG結中有較大的正向電流通過。

HG結上加＜0.5V的反偏電壓時，雖然H型區(qū)中有大量的易脫價電子，但由于此時電場力太小還無力把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，故沒有自由電子可移動，或者是由于此時電場力較小只夠把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，卻無力去移動H型區(qū)中的自由電子，所以HG結中沒有電流通過。

當HG結上所加的反偏電壓≥0.5V時，由于H型區(qū)中存在大量的易脫價電子，電場力又已具備了把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子的能力并有余力去移動H型區(qū)中的自由電子，所以H型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型區(qū)，從而使HG結中有較大的反向電流通過。

HG結中的電流大小，是由摻雜濃度的高低和偏置電壓的大小共同決定的。摻雜濃度越高，產(chǎn)生的易脫價電子數(shù)量就越多，能產(chǎn)生定向移動的自由電子數(shù)量也就越多，則形成的電流也就越大，反之，摻雜濃度越低，產(chǎn)生的易脫價電子數(shù)量就越少，能產(chǎn)生定向移動的自由電子數(shù)量也就越少，則形成的電流也就越??；由于能把多少易脫價電子變成自由電子以及能使多少自由電子產(chǎn)生定向移動都是由電場力的大小來決定的，而電場力的大小則是由偏置電壓的大小決定的，因此HG結導通后，偏置電壓越大，產(chǎn)生的電場力也越大，易脫價電子變成的自由電子數(shù)量就越多，產(chǎn)生定向移動的自由電子數(shù)量也就越多，自然是導通電流也越大了，反之，偏置電壓越小，產(chǎn)生的電場力也越小，易脫價電子變成的自由電子數(shù)量就越少，產(chǎn)生定向移動的自由電子數(shù)量也就越少，自然是導通電流也越小了。

至于HG結中出現(xiàn)電流即開始導通的電壓閾值問題，理論研究認為：一方面，雖然易脫價電子不受共價鍵的束縛，但仍然受到原子核的束縛，所以只有電場力大于原子核的吸引力時，易脫價電子才能掙脫原子核的束縛而成為自由電子；另一方面，電場力把易脫價電子拉入原子空隙中成為自由電子后，如果強度已無力再去推動自由電子作定向移動，那么自由電子就只能作無規(guī)律的自由運動，因此只有更高強度的電場力才能使自由電子產(chǎn)生定向移動。由此可知，要使易脫價電子掙脫原子核的束縛成為自由電子并產(chǎn)生定向移動，加在HG結上的電場力強度必須要足夠大，實踐證明，使硅半導體中易脫價電子掙脫原子核的束縛成為自由電子并產(chǎn)生定向移動的電壓閾值為0.5V。

2.4 全新半導體基礎知識的應用要點

第一，摻雜半導體中，無論摻入的是三價雜質元素還是五價雜質元素，也無論摻雜的濃度是高還是低，摻雜半導體中本征原子和雜質原子都仍然是完整的原子，整體仍呈電中性，所以無論何種外力都仍然很難把受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子拉到導帶中參與導電，而只能把摻雜后才出現(xiàn)的只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的易脫價電子拉到導帶中參與導電，很顯然，半導體理論和半導體器件理論中所說的“電子”，指的既不是本征原子上受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子也不是雜質原子上受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子，而所指的只是“G型半導體中五價雜質原子上只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的易脫價電子以及H型半導體中四價本征原子上只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的易脫價電子”！因此我們在學習研究和應用半導體基礎知識時，一定要撇開本征半導體而只關注摻雜半導體；一定要撇開本征原子上和雜質原子上受原子核和共價鍵雙重束縛的價電子，而只關注和討論只受原子核束縛卻不受共價鍵束縛的易脫價電子！

第二，雖然摻雜半導體價帶中的易脫價電子在電場、磁場、溫度、光照、物理力或化學力等外力作用下，都能夠被拉到導帶中成為自由電子，但在學習研究和應用半導體基礎知識時，我們必須暫緩考慮磁場、溫度、光照、物理力或化學力等外力對易脫價電子產(chǎn)生的影響，而只關注和討論在室溫條件下電場力對易脫價電子產(chǎn)生的影響，即只關注和討論沒有外加電場時和有外加電場時易脫價電子所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象！

第三，HG結的制作方法是把H型半導體的一部分摻雜成G型半導體或者把G型半導體的一部分摻雜成H型半導體。HG結是利用“當偏置電壓足夠大時，HG結中低電位區(qū)域的易脫價電子將被電場力拉到導帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動”這一原理進行工作的，顯而易見，要使HG結中出現(xiàn)電流，就必須要同時滿足“HG結上加有能產(chǎn)生足夠強度電場力的電壓”和“HG結中低電位區(qū)域存在易脫價電子”這兩個條件。HG結中的電流大小，是由摻雜濃度的高低和偏置電壓的大小共同決定的——摻雜濃度越高，產(chǎn)生的易脫價電子數(shù)量就越多，能產(chǎn)生定向移動的自由電子數(shù)量也就越多，則形成的電流也就越大；HG結上所加偏置電壓越高，產(chǎn)生的電場力就越大，被拉到導帶中的易脫價電子數(shù)量就越多，參與定向移動的自由電子數(shù)量也就越多，則形成的電流也就越大。在制造半導體器件時，如果我們根據(jù)需要用摻雜濃度存在差異的H型半導體和G型半導體來制作單個HG結、依次反向串聯(lián)排列的HG結組合體，那么我們就將得到一系列的導電特性互不相同功能作用也互不相同的半導體器件。這里所述的HG結的制作方法、HG結的工作原理、決定HG結中電流大小的因素和HG結的組合方式，對于開發(fā)制造半導體器件具有極其重要的現(xiàn)實意義——在當今電子技術和微電子技術中擔當關鍵性核心器件的半導體器件，都是在HG結的基礎上經(jīng)演變或者組合而制造出來的，因此我們說，HG結是各種半導體器件的基礎構成，沒有HG結就沒有半導體器件！沒有HG結就沒有當今的電子技術和微電子技術！

第四，在集成電路制造技術中，本征半導體既是制作半導體器件的基礎材料，又是器件與器件之間的隔離層；摻雜濃度極高的G型半導體可作為電容器的極板或電感器的線圈使用，摻雜濃度在千萬分之一到百萬分之一之間的H型半導體或G型半導體（即由H型區(qū)或由G型區(qū)構成的單區(qū)域半導體器件）可作為不同阻值的電阻器使用；而用摻雜濃度存在差異的H型半導體和G型半導體制作出的單個HG結（即由H型區(qū)‐G型區(qū)構成的兩區(qū)域半導體器件）、兩個反向串聯(lián)的HG結（即由H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)或者G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)構成的三區(qū)域半導體器件）、三個依次反向串聯(lián)的HG結（即由G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)構成的四區(qū)域半導體器件）和四個依次反向串聯(lián)的HG結（即由H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)構成的五區(qū)域半導體器件），則是當今電子技術和微電子技術中不可或缺的關鍵性核心器件！

第三部分 用全新半導體基礎知識解讀

半導體器件的工作原理

3.1 二極管

3.1.1 二極管的結構

如果先把片狀硅本征半導體摻雜成極低濃度的H－型半導體，再把H－型半導體上的一部分摻雜成高濃度的G＋型半導體，然后從H－型區(qū)和G＋型區(qū)各引出一個電極（分立元件還需進行封裝），那么就制造出了一只特殊的硅兩區(qū)域（H型區(qū)‐G型區(qū)）半導體器件。

特殊的兩區(qū)域半導體器件通常都被人們稱為半導體二極管或者稱為晶體二極管，我們倡議直接簡稱為二極管。

二極管的結構示意圖和電路符號如圖8所示。

圖8 二極管的結構示意圖和電路符號

二極管的電路符號中，三角形表示二極管的H－型區(qū)，短線段表示二極管的G＋型區(qū)，從H－型區(qū)和G＋型區(qū)引出的電極分別稱為H極（俗稱正極）和G極（俗稱負極），三角形與H極組成的箭頭則指出了二極管中電流的方向。

3.1.2 二極管的導電特性

對于二極管，我們在這里特別強調(diào)：

由于二極管實際是一個G型區(qū)摻雜濃度遠高于H型區(qū)摻雜濃度的特殊HG結，因此我們在探尋二極管的導電特性時，除必須考慮導通和截止兩種工作狀態(tài)以及必須考慮導通與截止的條件分別是什么外，還必須考慮導通程度的深淺以及正向電流與反向電流之間的差異問題。

現(xiàn)在我們通過圖9所示的實驗電路來探尋二極管的導電特性。

我們先把二極管的H極接直流電壓的正極端、G極接直流電壓的負極端，從實驗中得知：當正偏電壓＜0.5V時，二極管中沒有電流通過，此時二極管處于截止狀態(tài)；當正偏電壓≥0.5V時，二極管中開始出現(xiàn)正向電流并隨著正偏電壓的增大而增大，此時二極管處于正向導通狀態(tài)。

從實驗中還得知：當正偏電壓≥0.65V后，盡管電源電壓仍在繼續(xù)變大，但二極管上的正向電壓降UHG卻基本保持在0.65V左右不再變化，而負載上的電壓降URL卻跟隨電源電壓的變化而變化。

圖9 探尋二極管導電特性的實驗電路

我們再把二極管的G極接直流電壓的正極端、H極接直流電壓的負極端，從實驗中得知：當反偏電壓＜0.5V時，二極管中沒有電流通過，此時二極管處于截止狀態(tài)；當反偏電壓≥0.5V時，二極管中有極其微小的反向電流通過，此時二極管處于反向導通狀態(tài)。對于加≥0.5V的反偏電壓時二極管處于反向導通狀態(tài)有極其微小的反向電流通過這一問題，這里特別說明兩點：

①雖然二極管加≥0.5V的反偏電壓時事實上是反向導通的，但由于反向導通時極其微小的反向電流與正向導通時較大的正向電流相比，已經(jīng)小到完全可以忽略不計的程度，所以在當今的業(yè)界中，人們都約定俗成地認為：二極管加≥0.5V的反偏電壓時也是處于截止狀態(tài)的。

②反向電流之所以極其微小，是因為H－型區(qū)摻雜濃度極低使易脫價電子極少而造成的，其實這是制造二極管時特意這樣做的，目的就是為了讓二極管具有單向導電的特性。

換用不同種類的二極管重復上述實驗，我們總結出的二極管的導電特性是：

①二極管有兩種工作狀態(tài)——截止狀態(tài)和正向導通狀態(tài)，當二極管上加＜0.5V的正偏電壓時以及加反偏電壓時截止、加≥0.5V的正偏電壓時正向導通。也就是說，二極管具有單向導電的特性。

②二極管正向導通后，二極管上的正向電壓降基本恒定在0.65V左右。

③二極管正向導通后，二極管的輸出電壓始終跟隨輸入電壓的變化而變化。

二極管兩端的電壓UHG和流過二極管的電流IHG之間的關系曲線，稱為二極管的伏安特性曲線。如果通過伏安特性曲線來了解二極管的導電特性，將會更加直觀明了、更加清晰易懂。圖10示出的是硅二極管的伏安特性曲線。

圖10 硅二極管的伏安特性曲線

3.1.3 二極管的工作原理

由于二極管實際是一個特殊的HG結，因此二極管是利用“當偏置電壓足夠大時，HG結中低電位區(qū)域的易脫價電子將被電場力拉到導帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動”這一原理進行工作的。

二極管上加＜0.5V的反偏電壓時，雖然H－型區(qū)中有極微量的易脫價電子，但由于此時電場力太小還無力把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，故沒有自由電子可移動，或者是由于此時電場力較小只夠把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，卻無力去移動H－型區(qū)中的自由電子，所以二極管中沒有電流通過。

當二極管上所加的反偏電壓≥0.5V時，由于H－型區(qū)中存在極微量的易脫價電子，電場力又已具備了把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子的能力并有余力去移動H－型區(qū)中的自由電子，所以H－型區(qū)中極微量的自由電子可以從電位低的H－型區(qū)移向電位高的G＋型區(qū)，從而使二極管中有極微小的反向電流通過。

二極管上加＜0.5V的正偏電壓時，雖然G＋型區(qū)中有大量的易脫價電子，但由于此時電場力太小還無力把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，故沒有自由電子可移動，或者是由于此時電場力較小只夠把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，卻無力去移動G＋型區(qū)中的自由電子，所以二極管中沒有電流通過。

當二極管上所加的正偏電壓≥0.5V時，由于G＋型區(qū)中存在大量的易脫價電子，電場力又已具備了把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子的能力并有余力去移動G＋型區(qū)中的自由電子，所以G＋型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G＋型區(qū)移向電位高的H－型區(qū)，從而使二極管中有較大的正向電流通過。

由于二極管實際是一個G型區(qū)摻雜濃度遠高于H型區(qū)摻雜濃度的特殊HG結，因此二極管加≥0.5V的反偏電壓時必然是反向導通的，但由于反向導通時極其微小的反向電流與正向導通時較大的正向電流相比，已經(jīng)小到完全可以忽略不計的程度，所以在當今的業(yè)界中，人們都約定俗成地認為二極管加≥0.5V的反偏電壓時也是處于截止狀態(tài)的，于是就有了二極管具有單向導電性的概念。

在二極管正向導通的初期，由于H－型半導體的電阻率較大，故二極管的正向壓降會隨著導通電流的增大而逐漸從0.5V增大到0.65V；當正向壓降增加到0.65V左右時，二極管已達到了深度導通程度，此時的H－型半導體的電阻率已經(jīng)很小，這就使得二極管的正向壓降隨著導通電流的增大而增大的幅度已不太明顯，所以二極管的正向電壓降基本恒定在0.65V左右。

至于二極管中出現(xiàn)電流即開始導通的電壓閾值問題，由于二極管實際上就是一個特殊的HG結，因此二極管出現(xiàn)閾值的原理以及閾值的大小就與HG結出現(xiàn)閾值的原理以及閾值的大小是完全相同的。

通過對本征半導體進行不同元素的摻雜以及不同濃度的摻雜，可制造出多種不同功能的特殊二極管，例如穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光敏二極管、磁敏二極管、氣敏二極管、濕敏二極管、溫敏二極管等，有興趣者可參閱其他電子書刊作進一步的深入了解。

3.2 三極管

在同一塊本征半導體上摻雜出類型不同摻雜濃度也不同的兩種半導體，我們制造出了具有單向導電特性的二極管，那如果在同一塊本征半導體上摻雜出兩端是同一類型半導體中間是不同類型的半導體，我們又會得到一種具有什么樣導電特性的半導體器件呢？

3.2.1 三極管的結構

先把片狀硅本征半導體摻雜成濃度極低的G型半導體（G型區(qū)），再把G型半導體的一端摻雜成濃度極高的H型半導體（H型1區(qū)），另一端摻雜成濃度較高的H型半導體（H型2區(qū)），然后從G型區(qū)和兩個H型區(qū)各引出一個電極（分立元件還需進行封裝），這樣就制造出了一只三區(qū)域（H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)）半導體器件。

先把片狀硅本征半導體摻雜成濃度極低的H型半導體（H型區(qū)），再把H型半導體的一端摻雜成濃度極高的G型半導體（G型1區(qū)），另一端摻雜成濃度較高的G型半導體（G型2區(qū)），然后從H型區(qū)和兩個G型區(qū)各引出一個電極（分立元件還需進行封裝），這樣就制造出了一只三區(qū)域（G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)）半導體器件。

H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)三區(qū)域半導體器件通常被人們稱為HGH型半導體三極管或者稱為HGH型晶體三極管，我們倡議直接簡稱為HGH管。

G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)三區(qū)域半導體器件通常被人們稱為GHG型半導體三極管或者稱為GHG型晶體三極管，我們倡議直接簡稱為GHG管。

HGH管和GHG管的結構示意圖和我們倡議的電路符號如圖11所示。

圖11 HGH管和GHG管的結構示意圖和電路符號

HGH管的電路符號中，三根短線段從上到下依次表示HGH管的H型2區(qū)、G型區(qū)和H型1區(qū)，從H型2區(qū)、G型區(qū)和H型1區(qū)引出的三個電極分別稱為H2極、G極和H1極，箭頭則指出了HGH管中總電流的方向。

GHG管的電路符號中，三根短線段從上到下依次表示GHG管的G型2區(qū)、H型區(qū)和G型1區(qū)，從G型2區(qū)、H型區(qū)和G型1區(qū)引出的三個電極分別稱為G2極、H極和G1極，箭頭則指出了GHG管中總電流的方向。

先把片狀硅本征半導體摻雜成濃度極低的G型半導體，再把G型半導體從左到右按一定間隔摻雜出高濃度的H型1區(qū)、H型2區(qū)和G＋型區(qū)，再在H型1區(qū)和H型2區(qū)之間的G型半導體上覆蓋一層二氧化硅絕緣層，然后從絕緣層、H型2區(qū)連同G＋型區(qū)、H型1區(qū)上各引出一個電極（分立元件還需進行封裝），這樣就制造出了一只三區(qū)域（H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)）金屬‐氧化物‐半導體器件。

先把片狀硅本征半導體摻雜成濃度極低的H型半導體，再把H型半導體從左到右按一定間隔摻雜出高濃度的H＋型區(qū)、G型1區(qū)和G型2區(qū)，再在G型1區(qū)和G型2區(qū)之間的H型半導體上覆蓋一層二氧化硅絕緣層，然后從絕緣層、G型1區(qū)連同H＋型區(qū)、G型2區(qū)上各引出一個電極（分立元件還需進行封裝），這樣就制造出了一只三區(qū)域（G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)）金屬‐氧化物‐半導體器件。

H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)三區(qū)域金屬‐氧化物‐半導體器件通常被人們稱為HMOS型場效應三極管，我們倡議直接簡稱為HMOS管。

G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)三區(qū)域金屬‐氧化物‐半導體器件通常被人們稱為GMOS型場效應三極管，我們倡議直接簡稱為GMOS管。

HMOS管和GMOS管的結構示意圖和我們倡議的電路符號如圖12所示。

圖12 HMOS管和GMOS管的結構示意圖和電路符號

HMOS管的電路符號中，三根短線段從上到下依次表示HMOS管的H型2區(qū)、G型區(qū)和H型1區(qū)，左邊的長線段表示絕緣層，箭頭右下方與箭頭垂直的線段表示G＋型區(qū)，從H型2區(qū)連同G＋型區(qū)、絕緣層和H型1區(qū)引出的三個電極分別稱為H2極、G極和H1極，箭頭則指出了HMOS管中總電流的方向。

GMOS管的電路符號中，三根短線段從上到下依次表示GMOS管的G型2區(qū)、H型區(qū)和G型1區(qū)，左邊的長線段表示絕緣層，箭頭右上方與箭頭垂直的線段表示H＋型區(qū)，從G型2區(qū)、絕緣層和G型1區(qū)連同H＋型區(qū)引出的三個電極分別稱為G2極、H極和G1極，箭頭則指出了GMOS管中總電流的方向。

3.2.2 三極管的導電特性

對于三極管，我們在這里強調(diào)：

①三極管的導電特性除必須考慮導通和截止兩種工作狀態(tài)以及必須考慮導通與截止的條件分別是什么外，還必須考慮導通程度的深淺。

②只有自由電子從H型1區(qū)移動進緊鄰的G型區(qū)再移動進緊鄰的H型2區(qū)時、或者自由電子從G型1區(qū)移動進緊鄰的H型區(qū)再移動進緊鄰的G型2區(qū)時，我們才能認為三極管是處于導通狀態(tài)的，否則就認為三極管是處于截止狀態(tài)的。

③由于三極管具有H型區(qū)‐G型區(qū)‐H型區(qū)和G型區(qū)‐H型區(qū)‐G型區(qū)兩種排列方式，因此，只有HGH管和HMOS管的H2極和H1極之間加上H2極為正H1極為負的直流電壓且H2極和G極之間加上H2極為正G極為負的直流電壓時，自由電子才可能從電位低的H型1區(qū)向電位高的H型2區(qū)作定向移動；只有GHG管和GMOS管的G2極和G1極之間加上G2極為正G1極為負的直流電壓且H極和G1極之間加上H極為正G1極為負的直流電壓時，自由電子才可能從電位低的G型1區(qū)向電位高的G型2區(qū)作定向移動。

現(xiàn)在我們通過圖13和圖14所示的實驗電路來探尋GHG管和HGH管的導電特性。（實驗電路和實驗數(shù)據(jù)均摘自互聯(lián)網(wǎng)上高等院?；驅＜覍W者的實驗報告）

圖13 探尋GHG管導電特性的實驗電路

我們先按圖13所示把GHG管的G2極和G1極之間加上G2極為正G1極為負的直流電壓UG2G1、H極和G1極之間加上H極為正G1極為負的直流電壓UHG1，從實驗中得知：當UHG1＜0.5V時，GHG管中沒有電流通過，此時GHG管處于截止狀態(tài)；當UHG1≥0.5V時，GHG管中不僅有正向電流通過而且其電流值還隨著UHG1的變化而變化（參見表1），此時GHG管處于受控導通狀態(tài)；當UHG1增大到使UG2G1＜1.2V時，GHG管的正向電流恒定為某一固定值而不再隨UHG1的增大而增大，此時GHG管處于飽和導通狀態(tài)。

表1 GHG管IG2隨UHG1變化而變化的數(shù)據(jù)

圖14 探尋HGH管導電特性的實驗電路

我們再按圖14所示把HGH管的H2極和H1極之間加上H2極為正H1極為負的直流電壓UH2H1、H2極和G極之間加上H2極為正G極為負的直流電壓UH2G，從實驗中得知：當UH2G＜0.5V時，HGH管中沒有電流通過，此時HGH管處于截止狀態(tài)；當UH2G≥0.5V時，HGH管中不僅有正向電流通過而且其電流值還隨著UH2G的變化而變化（參見表2），此時HGH管處于受控導通狀態(tài)；當UH2G增大到使UH2H1＜1.2V時，HGH管的正向電流恒定為某一固定值而不再隨UH2G的增大而增大，此時HGH管處于飽和導通狀態(tài)。

表2 HGH管IH1隨UH2G變化而變化的數(shù)據(jù)

接下來我們再通過圖15和圖16所示的實驗電路來探尋GMOS管和HMOS管的導電特性。（實驗電路和實驗數(shù)據(jù)均摘自互聯(lián)網(wǎng)上高等院?；驅＜覍W者的實驗報告）

圖15 探尋GMOS管導電特性的實驗電路

我們先按圖15所示把GMOS管的G2極和G1極之間加上G2極為正G1極為負的直流電壓UG2G1、H極和G1極之間加上H極為正G1極為負的直流電壓UHG1，從實驗中得知：當UHG1＜2V時，GMOS管中沒有電流通過，此時GMOS管處于截止狀態(tài)；當UHG1≥2V時，GMOS管中不僅有正向電流通過而且其電流值還隨著UHG1的變化而變化（參見表3），此時GMOS管處于受控導通狀態(tài)；當UHG1增大到使UG2G1＜1.2V時，GMOS管的正向電流恒定為某一固定值而不再隨UHG1的增大而增大，此時GMOS管處于飽和導通狀態(tài)。

表3 GMOS管IG2隨UHG1變化而變化的數(shù)據(jù)

圖16 探尋HMOS管導電特性的實驗電路

我們再按圖16所示把HMOS管的H2極和H1極之間加上H2極為正H1極為負的直流電壓UH2H1、H2極和G極之間加上H2極為正G極為負的直流電壓UH2G，從實驗中得知：當UH2G＜2V時，HMOS管中沒有電流通過，此時HMOS管處于截止狀態(tài)；當UH2G≥2V時，HMOS管中不僅有正向電流通過而且其電流值還隨著UH2G的變化而變化（參見表4），此時HMOS管處于受控導通狀態(tài)；當UH2G增大到使UH2H1＜1.2V時，HMOS管的正向電流恒定為某一固定值而不再隨UH2G的增大而增大，此時HMOS管處于飽和導通狀態(tài)。

表4 HMOS管IH1隨UH2G變化而變化的數(shù)據(jù)

換用不同跨導的三極管重復上述實驗，我們總結出的三極管的導電特性是：

①三極管可以分別工作于三種工作狀態(tài)——截止狀態(tài)、受控導通狀態(tài)和飽和導通狀態(tài)，工作于截止狀態(tài)、受控導通狀態(tài)和飽和導通狀態(tài)所需的外部條件如表5所示。

表5 三區(qū)域半導體器件各種工作狀態(tài)所需的外部條件

②三極管工作在受控導通狀態(tài)時，輸入電壓的微小變化可引起導通電流的較大變化，并且導通電流變化量?IG2（?IH1）總是輸入電壓變化量?UHG1（?UH2G）的某一固定倍數(shù)。

三極管導通電流的變化量?IG2與輸入電壓的變化量?UHG1（或者導通電流的變化量?IH1與輸入電壓的變化量?UH2G）的比值稱為三極管的跨導，即

跨導的單位是毫西（mS），GHG管和HGH管的跨導一般為幾十毫西，GMOS管和HMOS管的跨導一般為幾毫西?？鐚П碚髁巳龢O管輸入電壓對導通電流的控制能力。

三極管兩端的電壓UG2G1為某一固定值時輸入電壓UHG1與導通電流IG2（或者兩端的電壓UH2H1為某一固定值時輸入電壓UH2G與導通電流IH1）之間的關系曲線，稱為三極管的轉移特性曲線；三極管輸入電壓UHG1分別為不同的固定值時兩端的電壓UG2G1與導通電流IG2（或者輸入電壓UH2G分別為不同的固定值時兩端的電壓UH2H1與導通電流IH1）之間的關系曲線，稱為三極管的輸出特性曲線。如果通過轉移特性曲線和輸出特性曲線來了解三極管的導電特性，將會更加直觀明了、更加清晰易懂。圖17示出的是GHG管的轉移特性曲線和輸出特性曲線，圖18示出的是GMOS管的轉移特性曲線和輸出特性曲線。

圖17 GHG管的轉移特性曲線和輸出特性曲線

圖18 GMOS管的轉移特性曲線和輸出特性曲線

3.2.3 三極管的工作原理

1. GHG管和HGH管的工作原理

圖19示出了GHG管和HGH管的等效結構圖，從等效結構圖可以看出：GHG管可等效于由HG1結和HG2結這兩個HG結級聯(lián)組合而成的，而HGH管則可等效于由H2G結和H1G結這兩個HG結級聯(lián)組合而成的，因此，GHG管和HGH管都是利用“當偏置電壓足夠大時，HG結中低電位區(qū)域的易脫價電子將被電場力拉到導帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動”這一原理進行工作的。

圖19 用等效結構圖研究GHG管和HGH管的工作原理

①當GHG管的UHG1＜0.5V時，對于HG1結來說，雖然G型1區(qū)中存在大量的易脫價電子，但由于電壓UHG1太小還無力把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，故沒有自由電子可移動，或者是由于此時電場力較小只夠把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子卻無力去移動G型1區(qū)中的自由電子，故HG1結中沒有電流通過；而對于HG2結來說，雖然電壓UG2H較大，H型區(qū)中又存在易脫價電子，H型區(qū)中的自由電子可以從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū)，但由于H型區(qū)中的自由電子數(shù)量極少，故HG2結中只有極微量的電流通過。此時從整個GHG管來看，兩個HG結中HG1結截止HG2結導通，自由電子無法從G型1區(qū)移動到G型2區(qū)，所以GHG管處于截止狀態(tài)。

當GHG管的UHG1≥0.5V時，對于HG1結來說，由于G型1區(qū)中存在大量的易脫價電子，電壓UHG1又已具備了移動G型1區(qū)中自由電子的能力，所以G型1區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型1區(qū)移向電位高的H型區(qū)，故HG1結中有很大的電流通過；而對于HG2結來說，由于電壓UG2H較大，H型區(qū)中又移進了大量的自由電子，所以H型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū)，故HG2結中也有較大的電流通過。此時從整個GHG管來看，兩個HG結中HG1結和HG2結全都導通，大量的自由電子是前赴后繼地從電位低的G型1區(qū)移向電位高的H型區(qū)、移進H型區(qū)中的自由電子又前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū)，故GHG管處于導通狀態(tài)。在GHG管導通期間，由于電壓UHG1越大，產(chǎn)生的電場力就越大，G型1區(qū)中被拉到導帶中的易脫價電子數(shù)量就越多，參與定向移動的自由電子數(shù)量也就越多，則形成的電流也就越大，就整個GHG管中的電流來看，電壓UHG1最終影響的其實是G2極電流的大小，即UHG1越大IG2越大、UHG1越小IG2越小，也就是說輸入電壓嚴格控制著導通電流的大小，所以此時的GHG管處于受控導通狀態(tài)。

當GHG管的UHG1增大到使UG2G1＜1.2V時，雖然此時的HG2結已是很小的反偏甚至轉為正偏，但GHG管上所加電壓仍是G型2區(qū)為正G型1區(qū)為負，自由電子仍能從電位低的G型1區(qū)向電位高的G型2區(qū)作定向移動，另一方面由于此時G型1區(qū)中的易脫價電子幾乎是傾其所有都被拉到了導帶中，即使UHG1繼續(xù)增大也無法再提供更多的自由電子，這就使得移進H型區(qū)的自由電子數(shù)量幾乎是個最大值，這樣GHG管的正向電流也就只能恒定為某一固定值而無法再隨UHG1的增大而增大了，所以GHG管處于飽和導通狀態(tài)。

②當HGH管的UH2G＜0.5V時，對于H1G結來說，由于電壓UGH1較大，H型1區(qū)中又存在大量的易脫價電子，所以H型1區(qū)中大量的自由電子可以從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū)，故H1G結中有很大的電流通過；而對于H2G結來說，雖然G型區(qū)中己經(jīng)移進了大量的自由電子，但由于電壓UH2G太小還移動不了G型區(qū)中的自由電子，故H2G結中沒有電流通過。此時從整個HGH管來看，兩個HG結中H1G結導通H2G結截止，自由電子無法從H型1區(qū)移動到H型2區(qū)，所以HGH管處于截止狀態(tài)。

當HGH管的UH2G≥0.5V時，對于H1G結來說，由于電壓UGH1較大，H型1區(qū)中又存在大量的易脫價電子，所以H型1區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū)，故H1G結中有很大的電流通過；而對于H2G結來說，由于G型區(qū)中己經(jīng)移進了大量的自由電子，電壓UH2G又已具備了移動G型區(qū)中自由電子的能力，所以G型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型2區(qū)，故H2G結中也有較大的電流通過。此時從整個HGH管來看，兩個HG結中H1G結和H2G結全都導通，大量的自由電子是前赴后繼地從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū)、移進G型區(qū)中的自由電子又前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型2區(qū)，故HGH管處于導通狀態(tài)。在HGH管導通期間，由于電壓UH2G越大，產(chǎn)生的電場力就越大，G型區(qū)中被移進H型2區(qū)的自由電子數(shù)量也就越多，則形成的電流也就越大，就整個HGH管中的電流來看，電壓UH2G最終影響的其實是H1極電流的大小，即UH2G越大IH1越大、UH2G越小IH1越小，也就是說輸入電壓嚴格控制著導通電流的大小，所以此時的HGH管處于受控導通狀態(tài)。

當HGH管的UH2G增大到使UH2H1＜1.2V時，雖然此時的H1G結已是很小的反偏甚至轉為正偏，但HGH管上所加電壓仍是H型2區(qū)為正H型1區(qū)為負，自由電子仍能從電位低的H型1區(qū)向電位高的H型2區(qū)作定向移動，另一方面由于此時H型1區(qū)中的易脫價電子幾乎是傾其所有都被拉到了導帶中，即使UH2G繼續(xù)增大也無法再提供更多的自由電子，這就使得移進G型區(qū)的自由電子數(shù)量幾乎是個最大值，這樣HGH管的正向電流也就只能恒定為某一固定值而無法再隨UH2G的增大而增大了，所以HGH管處于飽和導通狀態(tài)。

2. GMOS管和HMOS管的工作原理

圖20示出了GMOS管和HMOS管的等效結構圖，從等效結構圖可以看出：GMOS管可等效于由HG1結和HG2結這兩個HG結級聯(lián)組合而成的，而HMOS管則可等效于由H2G結和H1G結這兩個HG結級聯(lián)組合而成的；同時從等效結構圖還可以看出：由于GMOS管的H極與H＋型區(qū)構成了一個電容器上的兩塊極板，而HG1結是處在這個電容器的兩塊極板之間的，同樣，HMOS管的G極與G＋型區(qū)也構成了一個電容器上的兩塊極板，而H2G結也是處在這個電容器的兩塊極板之間的，電學理論告訴我們，電容器上加有電壓時兩極板間是會形成電場的，且所加電壓越大產(chǎn)生的電場強度越高，因此GMOS管和HMOS管仍然都是利用“當偏置電壓足夠大時，HG結中低電位區(qū)域的易脫價電子將被電場力拉到導帶中成為自由電子并從低電位區(qū)域向高電位區(qū)域作定向移動”這一原理進行工作的。

圖20 用等效結構圖研究GMOS管和HMOS管的工作原理

①當GMOS管的UHG1＜2V時，對于HG1結來說，雖然G型1區(qū)中存在大量的易脫價電子，但由于電壓UHG1太小在H極與H＋型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場力還無力把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子，故沒有自由電子可移動，或者是由于此時電場力較小只夠把易脫價電子拉到導帶中成為自由電子卻無力去移動G型1區(qū)中的自由電子，故HG1結中沒有電流通過；而對于HG2結來說，雖然電壓UG2H較大，H型區(qū)中又存在易脫價電子，H型區(qū)中的自由電子可以從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū)，但由于H型區(qū)中的自由電子數(shù)量極少，故HG2結中只有極微量的電流通過。此時從整個GMOS管來看，兩個HG結中HG1結截止HG2結導通，自由電子無法從G型1區(qū)移動到G型2區(qū)，所以GMOS管處于截止狀態(tài)。

當GMOS管的UHG1≥2V時，對于HG1結來說，由于G型1區(qū)中存在大量的易脫價電子，電壓UHG1在H極與H＋型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場力又已具備了移動G型1區(qū)中自由電子的能力，所以G型1區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型1區(qū)移向電位高的H型區(qū)，故HG1結中有很大的電流通過；而對于HG2結來說，由于電壓UG2H較大，H型區(qū)中又移進了大量的自由電子，所以H型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū)，故HG2結中也有較大的電流通過。此時從整個GMOS管來看，兩個HG結中HG1結和HG2結全都導通，大量的自由電子是前赴后繼地從電位低的G型1區(qū)移向電位高的H型區(qū)、移進H型區(qū)中的自由電子又前赴后繼地從電位低的H型區(qū)移向電位高的G型2區(qū)，故GMOS管處于導通狀態(tài)。在GMOS管導通期間，由于電壓UHG1越大，在H極與H＋型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場力就越大，G型1區(qū)中被拉到導帶中的易脫價電子數(shù)量就越多，參與定向移動的自由電子數(shù)量也就越多，則形成的電流也就越大，就整個GMOS管中的電流來看，電壓UHG1最終影響的其實是G2極電流的大小，即UHG1越大IG2越大、UHG1越小IG2越小，也就是說輸入電壓嚴格控制著導通電流的大小，所以此時的GMOS管處于受控導通狀態(tài)。

當GMOS管的UHG1增大到使UG2G1＜1.2V時，雖然此時的HG2結已是很小的反偏甚至轉為正偏，但GMOS管上所加電壓仍是G型2區(qū)為正G型1區(qū)為負，自由電子仍能從電位低的G型1區(qū)向電位高的G型2區(qū)作定向移動，另一方面由于此時G型1區(qū)中的易脫價電子幾乎是傾其所有都被拉到了導帶中，即使UHG1繼續(xù)增大也無法再提供更多的自由電子，這就使得移進H型區(qū)的自由電子數(shù)量幾乎是個最大值，這樣GMOS管的正向電流也就只能恒定為某一固定值而無法再隨UHG1的增大而增大了，所以GMOS管處于飽和導通狀態(tài)。

②當HMOS管的UH2G＜2V時，對于H1G結來說，由于電壓UGH1較大，H型1區(qū)中又存在大量的易脫價電子，所以H型1區(qū)中大量的自由電子可以從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū)，故H1G結中有很大的電流通過；而對于H2G結來說，雖然G型區(qū)中己經(jīng)移進了大量的自由電子，但由于電壓UH2G太小在G極與G＋型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場力還移動不了G型區(qū)中的自由電子，故H2G結中沒有電流通過。此時從整個HMOS管來看，兩個HG結中H1G結導通H2G結截止，自由電子無法從H型1區(qū)移動到H型2區(qū)，所以HMOS管處于截止狀態(tài)。

當HMOS管的UH2G≥2V時，對于H1G結來說，由于電壓UGH1較大，H型1區(qū)中又存在大量的易脫價電子，所以H型1區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū)，故H1G結中有很大的電流通過；而對于H2G結來說，由于G型區(qū)中己經(jīng)移進了大量的自由電子，電壓UH2G在G極與G＋型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場力又已具備了移動G型區(qū)中自由電子的能力，所以G型區(qū)中大量的自由電子可以前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型2區(qū)，故H2G結中也有較大的電流通過。此時從整個HMOS管來看，兩個HG結中H1G結和H2G結全都導通，大量的自由電子是前赴后繼地從電位低的H型1區(qū)移向電位高的G型區(qū)、移進G型區(qū)中的自由電子又前赴后繼地從電位低的G型區(qū)移向電位高的H型2區(qū)，故HMOS管處于導通狀態(tài)。在HMOS管導通期間，由于電壓UH2G越大，在G極與G＋型區(qū)這兩塊極板之間形成的電場力就越大，G型區(qū)中被移進H型2區(qū)的自由電子數(shù)量也就越多，則形成的電流也就越大，就整個HMOS管中的電流來看，電壓UH2G最終影響的其實是H1極電流的大小，即UH2G越大IH1越大、UH2G越小IH1越小，也就是說輸入電壓嚴格控制著導通電流的大小，所以此時的HMOS管處于受控導通狀態(tài)。

當HMOS管的UH2G增大到使UH2H1＜1.2V時，雖然此時的H1G結已是很小的反偏甚至轉為正偏，但HMOS管上所加電壓仍是H型2區(qū)為正H型1區(qū)為負，自由電子仍能從電位低的H型1區(qū)向電位高的H型2區(qū)作定向移動，另一方面由于此時H型1區(qū)中的易脫價電子幾乎是傾其所有都被拉到了導帶中，即使UH2G繼續(xù)增大也無法再提供更多的自由電子，這就使得移進G型區(qū)的自由電子數(shù)量幾乎是個最大值，這樣HMOS管的正向電流也就只能恒定為某一固定值而無法再隨UH2G的增大而增大了，所以HMOS管處于飽和導通狀態(tài)。

至于MOS管中出現(xiàn)電流即開始導通的電壓閾值問題，理論研究認為：一方面，雖然易脫價電子不受共價鍵的束縛，但仍然受到原子核的束縛，所以只有電場力大于原子核的吸引力時，易脫價電子才能掙脫原子核的束縛而成為自由電子；另一方面，電場力把易脫價電子拉入原子空隙中成為自由電子后，如果強度已無力再去推動自由電子作定向移動，那么自由電子就只能作無規(guī)律的自由運動，因此只有更高強度的電場力才能使自由電子產(chǎn)生定向移動；第三方面，也是最重要的一個方面，由于GMOS管上由H＋型區(qū)（和G1極連接在一起）與H極構成的電容器極板是互相垂直的、HMOS管上由G＋型區(qū)（和H2極連接在一起）與G極構成的電容器極板也是互相垂直的，因此施加在MOS管中的電場都是邊緣電場，如圖20中的弧形箭頭所示，換句話說就是，同等大小的電壓在MOS管中形成的電場強度比在GHG管或HGH管中形成的電場強度要小很多很多，由此可知，要使MOS管中易脫價電子掙脫原子核的束縛成為自由電子并產(chǎn)生定向移動，必須施加更大的UHG1或UH2G，才能使電場力強度達到足夠大，實踐證明，使MOS管中易脫價電子掙脫原子核的束縛成為自由電子并產(chǎn)生定向移動的電壓閾值為2V。

對于三極管，這里有必要強調(diào)：

GHG管的G1極與G2極不可對調(diào)使用、HGH管的H1極與H2極也不可對調(diào)使用！這主要是因為：GHG管的G型1區(qū)摻雜濃度遠高于G型2區(qū)的摻雜濃度，HGH管的H型1區(qū)摻雜濃度遠高于H型2區(qū)的摻雜濃度，當G1極與G2極對調(diào)后或者H1極與H2極對調(diào)后，將使這兩種三極管中可供移動的自由電子數(shù)量都大為減少，從而導致輸入電壓對導通電流的控制作用大大減小。同樣，GMOS管的G1極與G2極不可對調(diào)使用、HMOS管的H1極與H2極也不可對調(diào)使用！這主要是因為：GMOS管的G型2區(qū)與H型區(qū)實際等效于一只二極管，HMOS管的H型1區(qū)與G型區(qū)實際也等效于一只二極管，當G1極與G2極對調(diào)后或者H1極與H2極對調(diào)后，該等效二極管便處于正向偏置狀態(tài)，故將有極大的導通電流通過，極有可能燒穿MOS管，即使不燒穿MOS管，也會把UG2G1或者UH2H1鉗制成極低的電壓而使MOS管失去輸入電壓對導通電流的控制能力。

3.3 雪崩管

3.3.1 雪崩管的結構

先把硅本征半導體按照“G型1區(qū)‐H型1區(qū)‐G型2區(qū)‐H型2區(qū)”的規(guī)律摻雜成四層結構的摻雜半導體，再分別從G型1區(qū)、H型1區(qū)和H型2區(qū)各引出一個電極（分立元件還需進行封裝），這樣就制造出了一只四區(qū)域半導體器件。

四區(qū)域半導體器件以前被人們稱為單向可控硅，后來又改稱為單向晶閘管，由于四區(qū)域半導體器件的工作原理與雪山上雪崩的機理極為相似，所以我們倡議把四區(qū)域半導體器件直接簡稱為單向雪崩管。

單向雪崩管的結構示意圖和電路符號如圖21所示。

圖21 單向雪崩管的結構示意圖和電路符號

先把硅本征半導體按照“G型1區(qū)‐H型2區(qū)‐G型2區(qū)”的規(guī)律摻雜成三層結構的摻雜半導體，再把G型1區(qū)上右邊的一部分摻雜成H型1區(qū)、G型2區(qū)上左邊的一部分摻雜成H型3區(qū)，然后分別在H型2區(qū)表面、H型1區(qū)連同G型1區(qū)表面、H型3區(qū)連同G型2區(qū)表面各覆蓋一層金屬并從這三塊金屬涂層上各引出一個電極（分立元件還需進行封裝），這樣就制造出了一只五區(qū)域半導體器件。

五區(qū)域半導體器件以前被人們稱為雙向可控硅，后來又改稱為雙向晶閘管，由于五區(qū)域半導體器件的工作原理也與雪山上雪崩的機理極為相似，所以我們倡議把五區(qū)域半導體器件直接簡稱為雙向雪崩管。

雙向雪崩管的結構示意圖和電路符號如圖22所示。

圖22 雙向雪崩管的結構示意圖和電路符號

3.3.2 雪崩管的導電特性

對于雪崩管，我們在這里強調(diào)：

①雪崩管的導電特性除必須考慮導通和截止兩種工作狀態(tài)以及必須考慮導通與截止的條件分別是什么外，還必須考慮導通后如何關斷以及關斷的條件是什么。

②只有自由電子從G型1區(qū)移動進緊鄰的H型1區(qū)再移動進緊鄰的G型2區(qū)再移動進緊鄰的H型2區(qū)時，我們才能認為單向雪崩管是處于導通狀態(tài)的，否則就認為單向雪崩管是處于截止狀態(tài)的；只有自由電子從G型1區(qū)移動進緊鄰的H型2區(qū)再移動進緊鄰的G型2區(qū)再移動進緊鄰的H型3區(qū)時、或者自由電子從G型2區(qū)移動進緊鄰的H型2區(qū)再移動進緊鄰的G型1區(qū)再移動進緊鄰的H型1區(qū)時，我們才能認為雙向雪崩管是處于導通狀態(tài)的，否則就認為雙向雪崩管是處于截止狀態(tài)的。

③單向雪崩管只有在T2極和T1極之間加上T2極為正T1極為負的直流電壓且H極和T1極之間加上H極為正T1極為負的直流電壓時，自由電子才可能從電位低的G型1區(qū)向電位高的H型2區(qū)作定向移動；雙向雪崩管只有在T2極和T1極之間加上T2極為正T1極為負的直流電壓且H極和T1極之間加上H極為正T1極為負的直流電壓時，自由電子才可能從電位低的G型1區(qū)向電位高的H型3區(qū)作定向移動、或者只有在T1極和T2極之間加上T1極為正T2極為負的直流電壓且H極和T2極之間加上H極為正T2極為負的直流電壓時，自由電子才可能從電位低的G型2區(qū)向電位高的H型1區(qū)作定向移動。

現(xiàn)在我們通過圖23所示的實驗電路來探尋單向雪崩管的導電特性。

圖23 探尋單向雪崩管導電特性的實驗電路

我們按圖23所示把單向雪崩管的T2極和T1極之間加上T2極為正T1極為負的直流電壓UT2T1、H極和T1極之間加上H極為正T1極為負的直流電壓UHT1，從實驗中得知：①當UHT1＜0.5V時，單向雪崩管中沒有電流通過，此時單向雪崩管處于截止狀態(tài)。②當UHT1≥0.5V時，單向雪崩管中有正向電流通過，此時單向雪崩管處于導通狀態(tài)。③單向雪崩管導通期間，無論UHT1怎樣變化，單向雪崩管中的正向電流都保持某一恒定值不變，更無法使正向電流為0；改變UT2T1，單向雪崩管中的正向電流則會隨UT2T1的變化而變化；UT2T1減小到使正向電流為0時，單向雪崩管關斷；單向雪崩管關斷后，無論UT2T1怎樣變化，都無法使單向雪崩管再次導通，但若再次加上≥0.5V的UHT1，卻能使單向雪崩管再次導通。

接下來我們再通過圖24（a）和圖24（b）所示的實驗電路來探尋雙向雪崩管的導電特性。

我們先按圖24（a）所示把雙向雪崩管的T2極和T1極之間加上T2極為正T1極為負的直流電壓UT2T1、H極和T1極之間加上H極為正T1極為負的直流電壓UHT1，從實驗中得知：①當UHT1＜0.5V時，雙向雪崩管中沒有電流通過，此時雙向雪崩管處于截止狀態(tài)。②當UHT1≥0.5V時，雙向雪崩管中有正向電流通過，此時雙向雪崩管處于導通狀態(tài)。③雙向雪崩管導通期間，無論UHT1怎樣變化，雙向雪崩管中的正向電流都保持某一恒定值不變，更無法使正向電流為0；改變UT2T1，雙向雪崩管中的正向電流則會隨UT2T1的變化而變化；UT2T1減小到使正向電流為0時，雙向雪崩管關斷；雙向雪崩管關斷后，無論UT2T1怎樣變化，都無法使雙向雪崩管再次導通，但若再次加上≥0.5V的UHT1，卻能使雙向雪崩管再次導通。

圖24 探尋雙向雪崩管導電特性的實驗電路

我們再按圖24（b）所示把雙向雪崩管的T1極和T2極之間加上T1極為正T2極為負的直流電壓UT2T1、H極和T2極之間加上H極為正T2極為負的直流電壓UT2H，從實驗中得知：①當UT2H＜－0.5V時，雙向雪崩管中沒有電流通過，此時雙向雪崩管處于截止狀態(tài)。②當UT2H≥－0.5V時，雙向雪崩管中有反向電流通過，此時雙向雪崩管處于導通狀態(tài)。③雙向雪崩管導通期間，無論UT2H怎樣變化，雙向雪崩管中的反向電流都保持某一恒定值不變，更無法使反向電流為0；改變UT2T1，雙向雪崩管中的反向電流則會隨UT2T1的變化而變化；UT2T1減小到使反向電流為0時，雙向雪崩管關斷；雙向雪崩管關斷后，無論UT2T1怎樣變化，都無法使雙向雪崩管再次導通，但若再次加上≥－0.5V的UT2H，卻能使雙向雪崩管再次導通。

換用不同額定電流的雪崩管重復上述實驗，我們總結出的雪崩管的導電特性是：

①雪崩管有兩種工作狀態(tài)——截止狀態(tài)和導通狀態(tài)，工作于截止狀態(tài)和導通狀態(tài)所需的外部條件如表6所示。

表6 雪崩管各種工作狀態(tài)所需的外部條件

②當UHT1＜0.5V時，單向雪崩管處于截止狀態(tài)；當UHT1≥0.5V時，單向雪崩管會被觸發(fā)導通；單向雪崩管導通期間，正向電流不受UHT1控制而只隨UT2T1的變化而變化；UT2T1減小到使正向電流為0時，單向雪崩管才能被關斷。

③雙向雪崩管的T2極和T1極間加正電壓UT2T1時，H極上加正電壓UHT1可使雙向雪崩管正向導通；T2極和T1極間加負電壓UT1T2時，H極上加負電壓UHT2可使雙向雪崩管反向導通。

雪崩管兩端的電壓UT2T1和流過雪崩管的電流IT2T1之間的關系曲線，稱為雪崩管的伏安特性曲線。如果通過伏安特性曲線來了解雪崩管的導電特性，將會更加直觀明了、更加清晰易懂。圖25示出的是單向雪崩管的伏安特性曲線，圖26示出的是雙向雪崩管的伏安特性曲線。

圖25 單向雪崩管的伏安特性曲線

圖26 雙向雪崩管的伏安特性曲線

3.3.3 雪崩管的工作原理

從圖21中單向雪崩管的等效電路可以看出，單向雪崩管可等效于由一只GHG管和一只HGH管按電流正反饋規(guī)律串接而成，有了這樣一個等效，我們再來理解單向雪崩管的工作原理就比較簡單易懂了。

由于UHT1＜0.5V時，GHG管不可能導通，HGH管也就不會跟著導通，所以單向雪崩管中沒有電流通過，單向雪崩管處于截止狀態(tài)。

當UHT1≥0.5V時，GHG管首先開始導通，HGH管也跟著開始導通，由于HGH管的輸出電流就是GHG管的輸入電流，GHG管和HGH管又都處于放大狀態(tài)，所以被反復放大的電流使單向雪崩管迅速進入導通狀態(tài)。

單向雪崩管導通后，由于GHG管和HGH管間存在著強烈的正反饋，不再需要UHT1來提供輸入電流，所以無論UHT1怎樣變化，單向雪崩管中的正向電流都不會隨UHT1的變化而變化，但由于UT2T1的大小決定了參與定向移動的自由電子數(shù)量的多少，所以改變UT2T1，就會引起單向雪崩管中的正向電流隨UT2T1的變化而變化；單向雪崩管關斷后，由于電流為0，即自由電子已不再作定向移動，所以無論UT2T1怎樣變化，都無法使單向雪崩管再次導通，除非再次給H極上加≥0.5V的UHT1，單向雪崩管才會再次導通。

從圖22中雙向雪崩管的等效電路可以看出，雙向雪崩管可等效于由兩只單向雪崩管反向并接而成，因此當T2極和T1極間加正電壓時，H極上加正電壓可使雙向雪崩管正向導通，而當T2極和T1極間加負電壓時，H極上加負電壓可使雙向雪崩管反向導通。

參 考 文 獻

1.互聯(lián)網(wǎng)文庫中的文獻資料

2.陳偉虞.脈沖與數(shù)字電路（第3版）.北京.高等教育出版社.1999.7

3.肖景和.數(shù)字集成電路應用精粹.北京.人民郵電出版社.2002.6

審核編輯 黃宇