第1章-常用半导体器件课件

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 晶体二极管与三极管,第1章 常用半导体器件,第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.3 半导体三极管,1.2 半导体二极管,1.4 半导体场效应管,第1章 常用半导体器件第1章 常用半导体器件 1.1 半,1,第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,导 体：,电阻率小于,10,-4,cm,的物质，如铜、铝、,银等金属材料；,半导体：,电阻率在,10,-3,10,9,cm,范围内的物质，,常用的半导体材料是,硅（Si)、锗(Ge)、,砷化镓,GaAs,。,绝缘体：,电阻率大于,10,10,cm,的物质，如塑料、,橡胶、陶瓷等材料；,第1章 常用半导体器件1.1 半导体基础知识 导 体,2,第1章 常用半导体器件,用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化。,半导体受热、光照或掺入杂质后，导电性能会发生变化。,掺杂特性：,纯净硅在室温时的电阻率为 2.1410,5,cm，如果在纯净硅中,掺入百万分之一,浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999，但它的,电阻率却下降,到 0.2cm，几乎减少到原来的,百万分之一,。,热敏特性：,纯净的半导体硅，当温度从30升高到40时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30升高到100时，电阻率的增加还不到 1 倍。,光敏特性：,第1章 常用半导体器件 用半导体材料制作电子,3,第1章 常用半导体器件,图 1-1 硅和锗的原子结构模型,(a)硅；(b)锗；(c)原子简化模型,1.1.1 本征半导体,纯净的单晶半导体称为本征半导体。,1 本征半导体的晶体结构,第1章 常用半导体器件图 1-1 硅和锗的原子结构模型1.,4,第1章 常用半导体器件,半导体的共价键结构,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,第1章 常用半导体器件半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化,5,空穴,共价键中的空位,。,空穴可以看成带正电的粒子。,电子空穴对,由热激发而产生的自由电子和空穴对,。,第1章 常用半导体器件,本征激发：,由于本征半导体受热（或光照）而产生电子-空穴对的现象。,自由电子：,挣脱了共价键束缚的价电子。,2 本征半导体中的两种载流子,空穴共价键中的空位。空穴可以看成带正电的粒子。电子空穴对,6,空穴的移动,空穴的移动：,空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的,。,电子填充空穴的过程就相当于正电荷空穴的移动，,因此,空穴是能载运电荷的粒子载流子，即空穴能参与导电。,第1章 常用半导体器件,空穴的移动空穴的移动：空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次,7,本征半导体中,空穴和自由电子移动都能输运电荷，即,本征半导体中,空穴和自由电子移动都能参与导电。,故,本征半导体中有两种载流子。,空穴和自由电子定向移动都会形成电流。,第1章 常用半导体器件,半导体的导电特性：,本征半导体中空穴和自由电子移动都能输运电荷，,8,3 热平衡载流子的浓度,第1章 常用半导体器件,当温度一定时，在本征半导体中本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态,称为热平衡状态。,热平衡状态下本征半导体的载流子浓度是一定的，且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。,根据有关理论，可以证明载流子浓度为,自由电子在运动中填补空穴,使两者都消失的现象,称为复合,。,式中,K,1,是常量（硅为3.8810,16,cm,-3,K,-3/2,，锗为1.7610,16,cm,-3,K,-3/2,）；,k,为玻尔兹曼常数；,E,G0,是,T,=0K时的禁带宽度（破坏共价键所需能量，硅为1.21 eV，锗为0.785 eV）。,3 热平衡载流子的浓度 第1章 常用半导体,9,1.1.2 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,。,N,型半导体,掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P,型半导体,掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,第1章 常用半导体器件,1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺,10,1.N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中,自由,电子是多数载流子,（,多子,）,，,它主要由杂质原子提供,；,空穴是少数载流子,（,少子,）,由热激发形成。,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,施主原子,。,第1章 常用半导体器件,1.N型半导体 因五价杂质原子中只有四个,11,2.P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中,空穴是多数载流子，,它主要由掺杂形成,；,自由,电子是少数载流子，,由热激发形成。,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,受主原子,。,第1章 常用半导体器件,2.P型半导体 因三价杂质原子在与硅原子,12,在一块完整的本征半导体硅或锗片上，利用不同的掺杂工艺，使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在它们的交界处便形成PN结。,PN结具有单向导电性,第1章 常用半导体器件,1.1.3 PN 结,半导体器件的核心是PN结。半导体二极管是单个PN结;半导体三极管具有两个PN结；场效应管的基本结构也是PN结。,在一块完整的本征半导体硅或锗片上，利用不同,13,第1章 常用半导体器件,1 PN结的形成,扩散运动,：,载流子从浓度高的区域向浓度低的区域的运动。,即P型区的,多子,(空穴)向N型区,扩散,，N型区的多子(自由电子)向P型区扩散。,空间电荷区：,在P和N的交界面两侧出现的,不能移动的杂质正负离子区域。,也就是PN结，,又称为,耗尽层。,多子扩散运动使空间电荷区加宽。,第1章 常用半导体器件1 PN结的形成扩散运动：载流子从浓,14,第1章 常用半导体器件,1 PN结的形成,内电场：,在空间电荷区里，,由带正电的N型区指向带负电的P型区的电场。,P,区,N,区,空间电荷区,内电场,U,ho,P,区,N,区,(,a,),空穴,负离子,正离子,自由电子,内电场阻止多子的扩散运动、,内电场推动少数载流子产生漂移运动（,载流子从浓度低的区域向浓度高的区域的运动。）。,从N型区漂移到P型区的空穴填补了原来交界面上P型区所失去的空穴，从P型区漂移到N型区的自由电子填补了原来交界面上N型区所失去的自由电子，,漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。,空间电荷区称为阻挡层。,第1章 常用半导体器件 1 PN结的形成P,15,1 PN结的形成,当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态,平衡,时，空间电荷区的,宽度一定,，PN结,电流为零,。在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为内建电位差,U,ho,如图（b）所示。处于室温时，,锗的,U,ho,0.20.3 V，硅的,U,ho,0.50.7 V。,第1章 常用半导体器件,1 PN结的形成第1章 常用半导体器件,16,第1章 常用半导体器件,总结:,在一块本征半导体在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,型半导体的结合面上形成如下物理过程:,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,第1章 常用半导体器件 总结:在一块本征半导体在两侧通过,17,第1章 常用半导体器件,若P型和N型半导体的掺杂浓度不同，空间电荷区内正、负离子的宽度也将不同，,P型区和N型区的掺杂浓度相等时，正离子区与负离子区的宽度也相等，,称为对称PN结,；当两边掺杂浓度不等时，浓度高的一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，,称为不对称PN结,。,其中，P型区掺杂浓度大于N型区的称为,P,+,N结；,N型区掺杂浓度大于P型区的称为,N,+,P结。,第1章 常用半导体器件 若P型和N型半导体的,18,第1章 常用半导体器件,2 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,。,(1)PN结加正向电压时,PN,结加正向电压时的导电情况,低电阻,大的正向扩散电流,PN,结的伏安特性,第1章 常用半导体器件 2 PN结的单向导电性 当外,19,第1章 常用半导体器件,PN,结的伏安特性,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,。,(2)PN结加反向电压时,PN,结加反向电压时的导电情况,高电阻,很小的反向漂移电流,（,PN结截止,）,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,。,第1章 常用半导体器件PN结的伏安特性 当外加电压使P,20,第1章 常用半导体器件,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结导,通,。,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,截止,。,由此可以得出结论：,PN结具有单向导电性。,第1章 常用半导体器件 PN结加正向电压时，呈现低电,21,第1章 常用半导体器件,3 PN结,V,-,I,方程,其中,PN,结的伏安特性,I,S,反向饱和电流,V,T,温度的电压当量,且在常温下（,T,=300K）,根据理论分析，PN结两端的电压U和流过PN结的电流,I,之间的关系为,第1章 常用半导体器件 3 PN结V-I 方程其中PN结,22,第1章 常用半导体器件,反向击穿特性,正向特性,反向特性,U,on,4 PN结,的伏安特性,反向电压不断增大，超过某一电压值时，反向电流将急剧增加，这种现象称为,PN结的反向击穿,。反向电流急剧增加时所对应的反向电压,U,(BR),称为反向击穿电压。,反向击穿分为,雪崩击穿和穿齐纳击穿。,第1章 常用半导体器件反向击穿特性正向特性反向特性Uon 4,23,第1章 常用半导体器件,1）雪崩击穿,在掺杂浓度较低的PN结中，随着反向电压逐渐增大，空间电荷区（即阻挡层）变宽，内电场加强，使参加漂移运动的载流子加速，动能加大。当反向电压增大到一定数值（通常7V以上）时，载流子获得的动能足以,把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，,产生电子-空穴对。新产生的载流子被电场加速后，又碰撞其它中性原子，又产生新的电子-空穴对。如此连锁反应，造成载流子急剧增多，使反向电流“滚雪球”般地骤增，通常将这种反向击穿称为,雪崩击穿,。雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度的降低而增大。,第1章 常用半导体器件 1）雪崩击穿,24,第1章 常用半导体器件,2）齐纳击穿,当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。这时只要加上不大的反向电压（通常4 V以下），阻挡层就可能获得210,6,V/cm以上的电场强度，该场强足以直接破坏共价键，,把价电子从共价键中拉出来，,从而获得大量的电子-空穴对，引起PN结中的反向电流急剧增大，这种反向击穿现象称为,齐纳击穿。,齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的增高而减小。,通常情况下，,反向击穿电压在7 V以上属于雪崩击穿，4V以下属于齐纳击穿，,在47 V之间的击穿则两种情况都有。,无论哪种击穿，只要PN结不因电流过大而产生过热损坏，当反向电压降到击穿电压以下（均指绝对值）时，其性能又可恢复到击穿前的情况。,第