常用半导体器件-PN结及二极管ppt课件

*,*,模拟电子技术基础,北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,主讲：赵建辉,第一章 常用半导体器件(1),11/15/2024,模拟电子技术基础北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院主讲,1,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 双极性晶体管,1.4 场效应管,1.5 单结晶体管和晶闸管,1.6 集成电路中的元件,第1章 常用半导体器件,本节课内容,11/15/2024,1.1 半导体基础知识第1章 常用半导体器件本节课内容10/,2,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 PN结,重点,：,PN结原理、伏安特性及电流方程,。,难点,：,1.两种载流子及其运动,2.PN,结的形成,3.PN结单向导电性,重点难点,11/15/2024,1.1 半导体基础知识1.1.1 本征半导体重点：PN结原理,3,导体,自然界中容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、铝等金属（p=）。,绝缘体,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,导体、半导体与绝缘体,本质:,决定于原子结构(最外层电子分布),一、半导体,11/15/2024,导体 自然界中容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、铝等金,4,半导体,的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,热敏/光敏特性。,当受外界,热和光,的作用时，它的导电能力明显变化。如制作CCD/CMOS光电耦合器件等（,优点,）,受温度变化影响大(,缺点,)。,掺杂特性。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，使它的导电能力明显改变。如制作二极管、三极管器件(,优点,)，但是温度敏感（,缺点,）。,半导体特性,可控性。,外电压控制（,单向导电、放大,）。,11/15/2024,半导体 的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的,5,1.1.1 本征半导体,二、本征半导体的原子结构,Ge,Si,Si,纯净,的具有,晶体,结构的半导体为本征半导体。纯度：99.9999999%（简称,9个9,）。常用材料是硅和锗。,Ge,最外层电子分布,最外层电子（价电子）都是,四个（共价键）,。,11/15/2024,1.1.1 本征半导体二、本征半导体的原子结构GeSiSi纯,6,纯净半导体通过一定工艺过程，可制成,单,晶体(本征半导体),。,每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，,共用,一对价电子,结构稳定,。,本征半导体晶体结构,正方体,晶格点阵,本征半导体,平面结构,示意图,11/15/2024,纯净半导体通过一定工艺过程，可制成单晶体(本征半导体)。每个,7,三、本征半导体的两种载流子,自由电子,空穴,束缚电子,本征激发,：在常温下，由于,热激发,，使一些,价电子,获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为,自由电子,，带,负电,，同时共价键上留下一个空位，称为,空穴，,带,正电,。,本征激发,（自由电子/孔穴）,？问题：,整个半导体,电性,（空穴自由电子,成对,出现或者消失）,视频,11/15/2024,三、本征半导体的两种载流子自由电子空穴束缚电子本征激发：在常,8,本征半导体的导电机理,两种载流子：,自由电子,和,空穴均,参与移动（导电）。,电子移动形成,电子电流,。空穴移动形成,空穴电流,。移动方向相反，电流方向相同。本征半导体电流为二者之和。,本征半导体的,导电能力很弱,（原因：本征激发少）。,+4,+4,+4,+4,两种载流子导电机理,视频,11/15/2024,本征半导体的导电机理两种载流子：自由电子和空穴均参与移动（导,9,典型值：,T=0,K，浓度 0，相当于绝缘体。,T=300K,（室温）,硅：10,10,量级（硅原子：10,22,量级）,一定温度下，,本征激发与复合,动态平衡,，载流子浓度一定。,且电子与空穴的浓度相等：,本征半导体的导电能力取决于,载流子,的,浓度,。,四、本征半导体中载流子浓度,载流子的浓度与环境密切相关。温度大,浓度大,本征半导体的导电能力越强。,优点,：（热敏/光敏器件）,缺点：（温度稳定性差原因，,电子线路环境温度问题,）,11/15/2024,典型值：一定温度下，本征激发与复合动态平衡，载流子浓度一定。,10,扩散（掺杂）,杂质半导体,导电性能,显著变化,。,原因：掺杂引起半导体,某种,载流子浓度大大增加，,与,掺杂浓度,相关。,P,型半导体,（空穴半导体）,：,空穴浓度,大大增加。,N,型半导体,（电子半导体）,：,自由电子,浓度大大增加。,1.1.2 杂质半导体,根据掺杂物质不同分为,2种,：,11/15/2024,扩散（掺杂）杂质半导体导电性能显著变化。P 型半导体（空,11,一、N,型半导体,在纯净半导体晶体中掺入少量的,五价,元素磷（或锑），晶体中的某些半导体原子被,杂质原子,取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定,多出一个电子,，这个电子几乎不受束缚，常温下很容易被激发而成为,自由电子,，这样磷原子就成了不能移动的,带正电的离子（施主原子）,。,+4,+4,+5,+4,磷原子,(,施主,原子),自由电子,自由电子为,多子,（同杂质浓度），空穴为,少子,N,型半导体中的,多数载流子（少子）,是什么？,11/15/2024,一、N 型半导体在纯净半导体晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑,12,P,型半导体,在纯净半导体晶体中掺入少量的,3价,元素硼，晶体中的某些半导体原子被,杂质原子,取代，硼原子的最外层有3个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生,一个空位（电中性）,，这个空位很容易吸附,电子形成新的空穴,，这样硼原子就成了不能移动,带负电的离子（受主原子）,。,空穴为,多子,（同杂质浓度），自由电子为,少子,P,型半导体中的,多数载流子（多子）,是什么？,+4,+4,+3,+4,空穴,（多子）,硼原子,（受主原子）,11/15/2024,P 型半导体在纯净半导体晶体中掺入少量的3价元素硼，晶体中的,13,杂质半导体,的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,杂质半导体中，,多子,和,少子,的移动都能形成电流。,多子：掺杂形成，,浓度与杂质浓度相等,。起,主导电,作用。,少子：本征激发形成，浓度底，温度敏感，影响器件性能。,11/15/2024,杂质半导体的示意表示法,14,掺入杂 质对本征半导体的导电性有,很大,的影响（相对本征激发），,典型的数据,如下:,T,=300 K,室温下,本征硅的电子和空穴浓度:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,1,本征硅的,原子,浓度:,4.9610,22,/cm,3,3,以上三个浓度基本上依次相差,10,6,/cm,3,。,2,掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:,n=,510,16,/cm,3,杂,质对半导体导电性的影响,在一定温度下,电子浓度与空穴浓度的,乘积,是一个,常数,与掺杂浓度无关。,11/15/2024,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大,15,一、,PN,结的形成,一、,PN,结的单向导电性,一、,PN,结电流方程,一、,PN,结伏安特性,一、,PN,结电容效应,1.1.3 PN结,一、PN结的形成,二、PN结单向导电性（重点）,三、PN结电流方程,四、PN结的伏安特性,五、PN结的电容效应,11/15/2024,一、PN 结的形成1.1.3 PN结一、PN结的形成10/,16,一、PN结的形成,图1.1.5 PN结的形成,在同一片半导体基片上，,分别,制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过多子的,扩散,，少子的,漂移,，在它们的交界面处就形成了,PN,结,。,11/15/2024,一、PN结的形成图1.1.5 PN结的形成在同一片半导体基,17,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,多子,浓度越高，,扩散运动,越强，结果是使空间电荷区,越宽,。,内电场,越强，就使,漂移运动,越强，而漂移使空间电荷区,变薄,。,空间电荷区，,也称,耗尽层,。,一、PN结的形成,视频,11/15/2024,P型半导体N,18,PN,结形成过程,（,扩散,与,漂移,运动,动态平衡,）,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,多子的扩散运动,由,杂质离子形成空间电荷区,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,。,11/15/2024,PN结形成过程（扩散与漂移运动动态平衡）,19,二,PN结的单向导电性,当外加电压使,PN,结中,P,区的电位高于,N,区的电位，称为加,正向电压,，简称,正偏,；反之,称为加,反向电压,，,简称,反偏,。,？,正偏、反偏,如何影响,PN结的导电性能？,11/15/2024,二 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位,20,+,+,+,+,R,E,二、,PN,结单向导电性,内电场,外电场,变薄,P,N,+,_,内电场被,削弱,，,多子的扩散加强，,能够形成较大的扩散电流。,PN,结正向偏置（,正偏,）,限流,视频,11/15/2024,+RE二、PN 结单向导电性内电场外电场变薄P,21,PN,结反向偏置,（反偏）,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,内电场被,加强,，多子的,扩散受抑制,。少子,漂移加强,，但少子数量有限，只能形成较小的,反向电流,。,R,E,限流,视频,11/15/2024,PN 结反向偏置（反偏）+内电场外电场变厚NP,22,PN结,正偏导通,，呈,低电阻,，较大的,正向扩散电流,；,PN结,反偏截止,，呈,高电阻,，很小,反向漂移电流,。,反偏 u0,PN,结单向导电性,小结,11/15/2024,PN结正偏导通，呈低电阻，较大的正向扩散电流；反偏 u0）:,电击穿,可逆,热击穿,不可逆,反向特性,u0,Si材料：,7V：,雪崩击穿,少子漂移加剧，碰撞共价键,4-7V：二者兼而有之,反向（u0）:电击穿可逆反向特性,25,五、,PN,结的电容效应,一定条件下，PN结具有一定的电容效应。,根据产生电容的机理分为,2种,：,一是,势垒电容：,C,b,二是扩散电容：,C,d,等效,结电容,：,C,j,=,C,b,+,C,d,五、,PN结的,电容效应,应用,：可变电容，电调谐。,11/15/2024,五、PN 结的电容效应 一定条件下，PN结具,26,(1),势垒电容,C,b,（,正向电压,引起耗尽层宽度变化,）,势垒电容,是由空间电荷区（耗尽层）形成的。,外加,反向电压,变化,PN结压降变化,耗尽层,离子区宽度变化,等效,PN结中,存储的电荷量,也随之变化（电容的充放电）。,图 01.09 势垒电容示意图,图1.1.11 势垒电容的示意图,11/15/2024,(1)势垒电容Cb（正向电压引起耗尽层宽度变化）,27,外加,正向电压,变化,非平衡少子,浓度变化,正向扩散电流变化,扩散区内,电荷积累释放,形成梯度变化,形成扩散电容。,(2),扩散电容,C,d,（,反向电压,引起,非,平衡少子,扩散形成,）,扩散电容示意图,PN结电容效应结论：,二者均是,非线性电容,（,可变,电容）,受外加电压影响（,工作点,影响）,C,j=,C,b+,C,d,几pF百pF量级（低频忽略/高频考虑）,11/15/2024,外加正向电压变化 非平衡少子浓度变化 正向,28,本节小结,1、半导体的导电能力介于,导体,与,绝缘体,之间；,2、在,一定温度,下，本征半导体有一定的导电能力,（,本征激发,引起，与,温度,有关）；,3、杂质半导体导电能力主要由,掺杂浓度,决定。,4、P型半导体中,空