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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,*,*,(4-,*,),第二章 常用半导体器件原理基本电路,2.,1,半导体基,础知识,2.,2 PN,结,2.,3,晶体二极管,2.4,双极性晶体管,2.5,场效应晶体管,1,2.1.1,本征半导体,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,。,典型的半导体,：,硅,Si,和,锗,Ge,以及,砷化镓,GaAs,等。,半导体导电性能受,温度、光照,和,掺杂影响,。,2-1,半导体物理基,础,导 体,半导体,绝缘体,2,结构特点：,、外层个电子；,、共价健,半导体特性,：,物质的导电能力由物质原子的,内部,结构,和原子间的,组合方式,决定。,2-1,半导体基,础知识,3,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,(a),硅晶体的空间排列,(b),共价键结构平面示意图,(,c),2-1,半导体基,础知识,导电特点,、受光照影响,、受掺杂影响,1,、无自由电子,、温度影响,4,2.1.1,本征半导体,化学成分纯净的半导体,。,它在物理结构上呈单晶体形态。,纯净的含义,无杂质,晶体结构完整,2-1,半导体基,础知识,5,一、,半导体中的载流子,、热力学温度,0K,无外界激发,2.1.1,本征半导体,2-1,半导体基,础知识,6,2.1.1,本征半导体,2,、热力学,300K,室温，产生自由电子,一、,半导体中的载流子,光照激发,(,c),自由电子,空穴,本征激发,7,一、,半导体中的载流子,、热力学温度,0K,无外界激发,自由电子：,价电子能量增高，有的价电子,挣脱原子核的束缚，而参与导电。,2,、热力学,300K,室温，产生自由电子,空穴：,价电子离开共价键后留下的空位称为空穴。,这一现象称为,本征激发,，,也称,热激发,。,2.1.1,本征半导体,2-1,半导体基,础知识,8,3,、空穴的移动,（,动画,2-1,）,空穴在晶格中的移动,9,本征激发和复合的过程,（,动画,1-1,）,2.1.1,本征半导体,二、,本征激发和复合,2-1,半导体基,础知识,10,价电子,获得能量,挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。这一现象称为,本征激发,本征激发,复合,自由电子,释放能量,而进入有空位的共价键，使自由,电子和空穴成对消失这一现象称为复合,。,在外电场作用下电子空穴对作定向运动形成的电流。,漂移电流,产生,电子空穴对,11,导电性能发生变化,N,型半导体,(2),P,型半导体,2.1.2,杂质半导体,在本征半导体中参入,杂质,的半导体称,杂质的半导体,杂质主要是三价或五价元素,参入少量五价元素,参入少量三价元素,2-1,半导体基,础知识,Text,Text,Text,参杂,结果,形成两种半导体材料,12,(1,）,N,型半导体,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,。,自由电子,13,(2)P,型半导体,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为,正离子,，因此五价杂质原子也称为,施主杂质,。,本征激发,参杂,空穴,本征激发,自由电子,电子是,多数载流子,，主要由掺杂形成；,空穴是,少数载流子,，由热激发形成,。,14,(2)P,型半导体,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,。,空穴,15,(2)P,型半导体,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为,负离子,。三价杂质 因而也称为,受主杂质,。,本征激发,参杂,空穴,本征激发,自由电子,空穴是,多数载流子,，主要由掺杂形成；,电子是,少数载流子,，由热激发形成,。,16,本征,室温下,本征激发产生的电子和空穴浓度,:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,掺杂,Add Your Title,掺杂浓度,:,n,=510,16,/cm,3,本征硅,Add Your Title,本征硅的原子浓度,:,4.9610,22,/cm,3,2.1.3,杂质对半导体导电性的影响,2-1,半导体基,础知识,典型的数据如下,:,17,2.1.4,半导体中的电流,飘移电流,扩散电流,在电场作用下，载流子定向运动形成的电流。,电场越强，载流子浓度越大飘移电流越强。,由于载流子浓度不均匀，从浓度大处向浓度小处扩散，形成扩散电流。,扩散电流大小与浓度梯度有关。,2-1,半导体基,础知识,18,2.2 PN结,2.2.1 PN,结的形成,2.2.2 PN,结的单向导电性,2.2.3 PN,结的击穿,特性,2.2.4 PN,结的电容效应,19,2.2.1 PN,结的形成,N,型半导体和,P,型半导体紧密结合在一起。在,N,型半导体和,P,型半导体的结合面上形成,PN,结,。,扩散电流,20,内电场,随着扩散运动的进行，,在界面,N,区的一侧，杂质变成正离子；,在界面,P,区的一侧，杂质变成负离子。,在,N,型和,P,型半导体界面的,N,型区一侧会形成正离子薄层；,在,N,型和,P,型半导体界面的,P,型区一侧会形成负离子薄层。,这种离子薄层会形成一个电场，方向是从,N,区指向,P,区，称为,内电场，,空间电荷区,21,内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍作用，限制了扩散运动的进一步发展。在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生,漂移运动,。,内电场,漂移电流,22,内电场,扩散电流,漂移电流,扩散电流,漂移电流,最后,多子的,扩散,和少子的,漂移,达到,动态平衡,。对于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的,空间电荷区,称为,PN,结,。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称,耗尽层,。,23,在,N,型和,P,型半导体的结合面上发生物理过程,总结,:,因浓度差,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,。,对于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的,空间电荷区,称为,PN,结,。,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称,耗尽层,。,多子的扩散运动,由,杂质离子形成空间电荷区,24,浓度差,扩散运动,电荷区,形成内电场,阻止扩散运动,促使漂移运动,动态平衡,25,PN,结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。,实验,：,PN,结的导电性,。按如下方式进行,PN,结导电性的实验，因为,PN,结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成,PN,结。,P,区为正极；,N,区为负极。对于图示的实验电路，（表示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管导通而发光。,电源正极,P N,发光二极管发光,2.2.2,PN,结的单向导电性,26,此时发光二极管不发光，说明,PN,结不导电。这个实验说明,PN,结（二极管）具有单向导电性。,N P,发光二极管熄灭,PN,结具有单向导电性，,若,P,区的电位高于,N,区，电流从,P,区流到,N,区，,PN,结呈低阻性，所以电流大；,若,P,区的电位低于,N,区，电流从,N,区流到,P,区，,PN,结呈高阻性，所以电流小。,结,论,27,定义,当外加电压使,PN,结中,P,区的电位高于,N,区的电位，称为,正向偏置,，简称,正偏,。,当外加电压使,PN,结中,P,区的电位低于,N,区的电位，,称为,反向偏置,，,简称,反偏,。,正向偏置,反向偏置,28,2.2.2.1 PN,结加正向电压时的导电情况,外电场,外加的,正向电压,有一部分降落在,PN,结区，方向与,PN,结内电场方向相反，,削弱了内电场,。于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，,扩散电流加大,。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，,PN,结呈现低阻性,。,内电场,内电场,I,F,29,2.2.2 PN,结加反向电压时的导电情况,PN,结加反向电压时，有一部分降落在,PN,结区，方向与,PN,结内电场方向相同，加强了内电场。,内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时,PN,结区的少子在内电场作用下形成的,漂移电流大于扩散电流,，可忽略扩散电流，,PN,结呈现高阻性。,内电场,I,S,外电场,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为,反向饱和电流,I,S,。,内电场,30,PN,结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN,结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,PN,结具有单向导电性,31,其中,PN,结的伏安特性,I,S,反向饱和电流,U,T,温度的电压当量,且在常温下（,T,=300K,）,2.2.2.3 PN,结的,I-V,方程,PN,结的电压和电流之间的关系为：,32,PN,结的伏安特性曲线如图所示。,处于第一象限的是正向伏安特性曲线，,处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,正向偏置,：,v0.1,反向偏置,：,|,V|0.1,33,2.2.3,PN,结的反向击穿,当,PN,结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，,热击穿,不可逆,雪崩击穿,齐纳击穿,电击穿,可逆,此现象称为,PN,结的,反向击穿。,34,2.2.3 PN,结的击穿特性,1,、雪崩击穿,PN,结的反向电压大于某一值,(),时,反向电流突然剧增，这种现象称为,PN,结的,击穿,发生击穿所需的电压称为,击穿电压（,V,BR,）,低参杂、高电压,2,、齐纳击穿,高参杂、低电压,35,1,、雪崩击穿,反向电压,少子动能,少子速度,碰撞共价,键中电子,产生自,由电子,电流剧增,条件：,低参杂、高电压,（,耗尽区宽碰撞机会多,）,对硅材料：,36,2,、齐纳击穿,条件：,高掺杂、低电压,（,耗尽区窄，低电压产生强电场,）,对硅材料：,低电压产,生强电场,产生空,穴,电子对,电流剧增,耗尽区窄,拉出共价,键中电子,37,2.2.4 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,。,38,(1),势垒电容,C,B,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。,势垒电容示意图,当外加电压使,PN,结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，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。,39,(1),势垒电容,C,B,随着外加电压的变化离子薄层的厚度的变化情况。,外加反向电压高,外加正向电压低,V=0,时的,n,：为变容指数,为内建电位差,40,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。,(2),扩散电容,C,D,反之，由,P,区扩散到,N,区的空穴，在,N,区内也形,成类似的浓度梯度分布曲线。,PN,结正偏时，由,N,区扩散到,P,区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在,P,区内紧靠,PN,结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,41,扩散电容示意图,PN,结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同,正向偏置,外加电压不同,扩散电流大小不同,相当电容的充放电过程。,势垒电容和扩散电容均是非线性电容,42,(2),扩散电容,C,D,如果引起 的电压变化量为 则,:,PN,结上的总电容为,:,43,温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。,对,硅材料,温度每增加,10,，反向电流将约增加一倍。,对,锗材料,温度每增加,12,，反向电流大约增加一倍。,温度升高时，,PN,结的正向压降将减小，,每增加,1,，正向压降,V,F,(V,D,),大约减小,2,mV,，,即具有负的温度系数。,2.2.5 PN,结的温度特性,温度对,PN,结的性能有较大的影响,。,44,温度对,PN,结性能的影响,图示,温度每升高,1,结电压减小,22.5mV,。,温度每升高,1,反向饱和电流增大一倍。,总 结,45,
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