1.1 半导体基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.4 场效应管,1,第1章 常用半导体器件,教学目的,1、了解本征、杂质半导体的导电特性及PN结中载流子的运动。,2、掌握半导体二极管的伏安特性及其主要参数，理解稳压管的原理及应用，了解PN结的电容效应。,3、掌握晶体三极管的电流分配关系及放大系数，掌握晶体管的共射特性曲线，了解温度对晶体管参数的影响。,4、掌握结型、绝缘栅型场效应管的基本结构，工作原理及相应的特性曲线，了解其与晶体管的异同点。,2,第1章 常用半导体器件,教学重点和难点,二极管的单向导电性、稳压管的原理。,三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型 、管脚和管材。,场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,教学时数,6学时,3,本章讨论的问题,1.为什么采用半导体材料制作电子器件？,2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？,3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当两种半导体制作在一起时会产生什么现象？,4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结中加反向电压时真的没有电流吗？,5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？,4,1.1 半导体基础知识,根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,半导体的电阻率为10,-3,10,-9,cm。,典型的半导体有硅,Si和锗Ge以及砷化镓GaAs,等。,5,6,1.1.1 本征半导体,本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“,九个9,”。它在物理结构上呈单晶体形态。,7,(1) 本征半导体的共价键结构,硅,和,锗,是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为,价电子,。它们分别与周围的四个原子的价电子形成,共价键,。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,1.1.1 本征半导体,8,(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,1.1.1 本征半导体,9,(2) 电子空穴对,当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为,自由电子,。这一现象称为,本征激发,（也称,热激发,）。,1.1.1 本征半导体,10,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为,空穴,。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为,电子空穴对,。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为,复合,。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,1.1.1 本征半导体,11,本征激发和复合的过程,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。,1.1.1 本征半导体,12,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是,三价,或,五价,元素。掺入杂质的本征半导体称为,杂质半导体,。,13,(1) N型半导体 Negative,在本征半导体中掺入,五价,杂质元素，例如磷，可形成,N型半导体,，也称,电子型半导体,。,1.1.2 杂质半导体,14,(2) P型半导体 Positive,在本征半导体中掺入,三价,杂质元素，如硼、镓、铟等形成了,P型半导体,，也称为,空穴型半导体,。,1.1.2 杂质半导体,15,（3） 杂质对半导体导电性的影响,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,T,=300K 常温下，,本征硅的电子和空穴浓度为,n,i,=,p,i,=1.4310,10,/cm,3,掺杂后，,N 型半导体中的自由电子浓度为,n=,510,16,/cm,3,1.1.2 杂质半导体,16,1.1.3 PN结,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的交界面上形成,PN结,。,PN结的形成过程,负离子,空穴,正离子,自由电子,17,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场, ,内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散,最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,1.1.3 PN结,18,PN结的单向导电性,PN结具有单向导电性。,如果外加电压使：,PN结P区的电位高于N区的电位称为,加正向电压,，也称,正向偏置,，简称,正偏,；,PN结P区的电位低于N区的电位称为,加反向电压,，也称,反向偏置,，简称,反偏,。,19,PN结正偏 PN结反偏,PN结的单向导电性,20,PN,结的电流方程,PN,结所加端电压,u,与流过它的电流,i,的关系为,式中,I,S,为,反向饱和电流,，,q,为电子的电量，,k,为玻尔兹曼常数，,T,为热力学温度。,kT,/,q,用,U,T,取代，则,常温下，即,T,= 300 K时，,U,T,26 mV,。,21,PN结的伏安特性,正向导通区,反向截止区,反向击穿区,22,PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容,C,b,，二是扩散电容,C,d,。,23,势垒电容,是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，空间电荷区的宽度也随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,PN结的电容效应,24,扩散电容,是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。,PN结的结电容,C,j,C,b,C,d,由于,C,b,与,C,d,一般都很小（pF级），对于低频信号呈现出很大的容抗，故其作用可忽略不计。,PN结的电容效应,25,