模擬電路與數字電路

1、第二章第二章 半導體器件基礎半導體器件基礎內容提要內容提要半導體基礎知識半導體基礎知識晶體二極管晶體二極管特殊二極管特殊二極管晶體三極管晶體三極管2.1 2.1 半導體的基礎知識半導體的基礎知識本征半導體本征半導體雜質半導體雜質半導體載流子的運動方式及形成的電流載流子的運動方式及形成的電流PNPN結及其單向導電性結及其單向導電性半導體及其材料半導體及其材料 導體導體 : : 電阻率電阻率小于小于1010-3-3cm cm 絕緣體絕緣體: : 大于大于10108 8cm cm 半導體半導體: : 介于導體和絕緣體之間。介于導體和絕緣體之間。常用半導體材料有常用半導體材料有: : 硅（硅（Si）、

2、鍺（、鍺（Ge）、砷化鎵）、砷化鎵( (GaAs) )等等2.1.1 2.1.1 半導體半導體電阻率電阻率：數值上等于單位長度、單位截面的某種物質的電阻。：數值上等于單位長度、單位截面的某種物質的電阻。本征半導體本征半導體半導體的原子結構半導體的原子結構: :化學成分純凈的半導體。在物理結構上呈化學成分純凈的半導體。在物理結構上呈單晶體形態(tài)。單晶體形態(tài)。 硅硅(Si) 鍺鍺(Ge)制造半導體器件的半導體材料的純度要達到制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%99.9999999%，常稱為常稱為“九個九個9”9”。半導體的共價鍵結構半導體的共價鍵結構 4 共價鍵共價鍵共價鍵中

3、的共價鍵中的兩個價電子兩個價電子原子核原子核 本征半導體概念本征半導體概念 4 本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理 本征激發(fā)產生的本征激發(fā)產生的 價電子受熱或受光價電子受熱或受光照（即獲得一定能量）照（即獲得一定能量）后，可掙脫原子核的束后，可掙脫原子核的束縛，成為縛，成為自由電子自由電子（帶（帶負電），同時共價鍵中負電），同時共價鍵中留下一個帶正電的留下一個帶正電的空穴空穴。本征激發(fā)產生的本征激發(fā)產生的4 本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理 在熱激發(fā)下，本征半導體中存在熱激發(fā)下，本征半導體中存在兩種能參與導電的載運電荷在兩種能參與導電的載運電荷的粒子的粒子( (載流子載流子) )

4、：自由電子回到共自由電子回到共價鍵結構中的現(xiàn)象。此時電價鍵結構中的現(xiàn)象。此時電子空穴成對消失。子空穴成對消失。本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理 自由電子和空穴成對產生的同時，又不斷復合。自由電子和空穴成對產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡， 半導體中載流子便維持一定的數目。半導體中載流子便維持一定的數目。T T300K300K時電子濃度時電子濃度硅：硅： 鍺：鍺：銅：銅：2238.5 10/incm1332.5 10 /iinpcm1031.5 10 /iinpcm光敏性：當受到光照時，半導體的電阻率隨著光

5、照增強而下光敏性：當受到光照時，半導體的電阻率隨著光照增強而下降，其導電能力增強。降，其導電能力增強。據此可制作各種光敏元件，據此可制作各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。半導體的特性半導體的特性 熱敏性：半導體的電阻率隨著溫度的上升而明顯下降，其導熱敏性：半導體的電阻率隨著溫度的上升而明顯下降，其導電能力增強。電能力增強。據此可制作溫度敏感元件，如熱敏電據此可制作溫度敏感元件，如熱敏電阻。阻。本征半導體摻雜性：在純凈的半導體中摻入某些雜質，其電阻摻雜性：在純凈的半導體中摻入某些雜質，其電阻 率大大下降而導電能力顯著增強。率大大下降而導電能

6、力顯著增強。據此可據此可 制作各種半導體器件，如二極管制作各種半導體器件，如二極管和三極管和三極管 等。等。半導體特性半導體特性 本征半導體本征半導體2.1.2 雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中摻入微量其它元素而得到在本征半導體中摻入微量其它元素而得到的半導體。的半導體。雜質半導體可分為：雜質半導體可分為： N N型型( (電子電子) )半導體和半導體和P P型型( (空穴空穴) )半導體兩類。半導體兩類。1.N1.N型半導體型半導體 在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入微量微量物質（磷、砷等）物質（磷、砷等）而得到的雜質半導體。而得到的雜質半導體。 結構圖結構圖561010 摻雜后，某些

7、位置上的摻雜后，某些位置上的 硅原子被硅原子被5 5價雜質原子（如磷價雜質原子（如磷 原子）取代。磷原子的原子）取代。磷原子的5 5個價個價 電子中，電子中，4 4個價電子與鄰近硅個價電子與鄰近硅 原子的價電子形成共價鍵，剩原子的價電子形成共價鍵，剩 余價電子只要獲取較小能量即余價電子只要獲取較小能量即 可成為可成為。同時，提供電子的磷原子因帶正電荷而成為。同時，提供電子的磷原子因帶正電荷而成為。電子和正離子成對產生。上述過程稱為。電子和正離子成對產生。上述過程稱為5 5價雜質原子又稱價雜質原子又稱1. N 1. N 型半導體型半導體常溫下雜質原子電離，常溫下雜質原子電離，產生電子產生電子正離

8、子對正離子對4 本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理 本征激發(fā)產生的本征激發(fā)產生的 價電子受熱或受光價電子受熱或受光照（即獲得一定能量）照（即獲得一定能量）后，可掙脫原子核的束后，可掙脫原子核的束縛，成為縛，成為自由電子自由電子（帶（帶負電），同時共價鍵中負電），同時共價鍵中留下一個帶正電的留下一個帶正電的空穴空穴。本征激發(fā)產生的本征激發(fā)產生的這種電子為多數載流子的雜質半導體稱為這種電子為多數載流子的雜質半導體稱為N N型半導體。型半導體。可見：在可見：在N N型半導體中型半導體中（簡稱（簡稱）；）；（簡稱（簡稱）。）。N N型半導體中還存在來自于熱激發(fā)的電子型半導體中還存在來自于熱激發(fā)的

9、電子- -空穴對?？昭▽?。1.N 1.N 型半導體型半導體 N N型半導體是否帶電？型半導體是否帶電？正負電荷數正負電荷數，N N型半導體呈型半導體呈N N型半導體中電子型半導體中電子- -空穴數是否相同？空穴數是否相同？ 在本征半導體中摻入微量在本征半導體中摻入微量物質（硼、鋁等）物質（硼、鋁等）而得到的雜質半導體而得到的雜質半導體。2.P2.P型半導體型半導體結構圖結構圖 摻雜后，某些位置上的摻雜后，某些位置上的 硅原子被硅原子被3 3價雜質原子（如硼價雜質原子（如硼 原子）取代。硼原子有原子）取代。硼原子有3 3個價個價 電子，與鄰近硅原子的價電子電子，與鄰近硅原子的價電子 構成共價鍵時

10、會形成構成共價鍵時會形成， 導致共價鍵中的電子很容易導致共價鍵中的電子很容易 運動到這里來。同時，接受一個電子的硼原子因帶負電荷而成為運動到這里來。同時，接受一個電子的硼原子因帶負電荷而成為不能移動的不能移動的?？昭ê拓撾x子成對產生?？昭ê拓撾x子成對產生。 上述過程稱為上述過程稱為3 3價雜質原子又稱價雜質原子又稱2. P2. P型半導體型半導體 這種空穴為多數載流子的雜質半導體稱為這種空穴為多數載流子的雜質半導體稱為P P型半導體。型半導體。可見：在可見：在P P型半導體中型半導體中( (簡稱簡稱) ,) ,（簡稱（簡稱）。）。P P型半導體中還存在來自于熱激發(fā)的電子型半導體中還存在來自于熱

11、激發(fā)的電子- -空穴對?？昭▽?。2.P2.P型半導體型半導體ppnniinpnpnp雜質濃度對導電性能的影響Si原子濃度：5 1022 cm3 本征Si： ni= 1.5 1010 cm 3(300 K ) 105 cm 雜質濃度：1013 cm3 103 cm 1021 cm3 10 3 cm 摻雜濃度對半導體導電性有很大的影響！載流子受擴散力的作用所作的運動稱為擴散運動。載流子受擴散力的作用所作的運動稱為擴散運動。 載流子擴散運動所形成的電流稱為擴散電流。載流子擴散運動所形成的電流稱為擴散電流。 擴散電流大小與載流子濃度梯度成正比擴散電流大小與載流子濃度梯度成正比載流子運動方式及形成電流載

12、流子運動方式及形成電流1.1.擴散運動及擴散電流擴散運動及擴散電流載流子在電場力作用下所作的運動稱為漂移運動。載流子在電場力作用下所作的運動稱為漂移運動。 載流子漂移運動所形成的電流稱為漂移電流。載流子漂移運動所形成的電流稱為漂移電流。 漂移電流大小與電場強度成正比漂移電流大小與電場強度成正比2.2.漂移運動及漂移電流漂移運動及漂移電流1. PN1. PN結的形成結的形成 在一塊本征半導體的兩在一塊本征半導體的兩邊摻以不同的雜質，使其一邊摻以不同的雜質，使其一邊形成邊形成P P型半導體，另一邊型半導體，另一邊形成形成N N型半導體，型半導體， 另一方面，隨著擴散運動的進行，另一方面，隨著擴散運

13、動的進行，P P區(qū)一邊失去空穴留下負區(qū)一邊失去空穴留下負離子，離子，N N區(qū)一邊失去電子留下正離子，區(qū)一邊失去電子留下正離子，2.1.32.1.3 PNPN結及其單向導電性結及其單向導電性 則在它們則在它們交界處就出現(xiàn)了電子和空穴交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差，于是的濃度差，于是P P區(qū)空穴向區(qū)空穴向N N區(qū)擴散，區(qū)擴散，N N區(qū)電子向區(qū)電子向P P區(qū)擴散。區(qū)擴散。 形成空間電荷區(qū)，產生內形成空間電荷區(qū)，產生內建電場。建電場。 電場方向由電場方向由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)，有利于區(qū)，有利于P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的少子漂移區(qū)的少子漂移運動，而阻止多子擴散運動。運動，而阻止多子擴散運動。U：勢

14、壘電壓 U= 0.60.8V 或 0.20.3VPNPN結平衡結平衡空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)/ /耗盡層耗盡層U內建電場內建電場1. PN1. PN結的形成結的形成 P 區(qū) 空間電荷區(qū) N 區(qū)PN 結及其內電場內電場方向P 區(qū) N 區(qū)載流子的擴散運動多子擴散形成空間電荷區(qū),產生內電場 少子漂移 擴散與漂移達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結小結小結 n 載流子的擴散運動和漂移運動既互相聯(lián)系又互相矛盾。載流子的擴散運動和漂移運動既互相聯(lián)系又互相矛盾。 n 漂移運動漂移運動= =擴散運動時，擴散運動時，PNPN結形成且處于動態(tài)平衡狀態(tài)。結形成且處于動態(tài)平衡狀態(tài)。 PNPN結沒有電流通過。結沒有電流

15、通過。1.PN1.PN結的形成結的形成 擴散交界處的濃度差P區(qū)的一些空 穴向N區(qū)擴散N區(qū)的一些電 子向P區(qū)擴散P區(qū)留下帶負 電的受主離子N區(qū)留下帶正 電的施主離子內建電場漂移電流擴散電流PN 結動態(tài)平衡2. PN2. PN結的特性結的特性 (1)(1)單向導電性單向導電性 2. PN2. PN結的特性結的特性 31 UUU 合成電場合成電場(1)(1)單向導電性單向導電性 2. PN2. PN結的特性結的特性 PNPN外加正向電壓時，內建外加正向電壓時，內建電場被削弱，勢壘高度下電場被削弱，勢壘高度下降，降，未加偏壓時的耗盡層未加偏壓時的耗盡層 空間電荷區(qū)寬度變窄，空間電荷區(qū)寬度變窄，這使得這

16、使得P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)能越過這區(qū)能越過這個勢壘的個勢壘的數量數量大大增加，形成較大的大大增加，形成較大的。 加偏壓時加偏壓時的耗盡層的耗盡層32 流過流過PNPN結的電流隨外加電結的電流隨外加電壓壓U U的增加而迅速上升，的增加而迅速上升，PNPN結呈現(xiàn)為小電阻。該狀態(tài)結呈現(xiàn)為小電阻。該狀態(tài)稱：稱：加正向偏壓加正向偏壓時的耗盡層時的耗盡層UUU 合成電場合成電場未加偏壓時的耗盡層未加偏壓時的耗盡層33 加反向偏壓加反向偏壓時的耗盡層時的耗盡層UU+U 合成電場合成電場(1)(1)單向導電性單向導電性 2. PN2. PN結的特性結的特性 PNPN外加反向電壓時，內建外加反向電壓時，內建電場

17、被增強，勢壘高度升電場被增強，勢壘高度升高，空間電荷區(qū)寬度變寬。高，空間電荷區(qū)寬度變寬。這就使得多子擴散運動很這就使得多子擴散運動很難進行，擴散電流趨于零，難進行，擴散電流趨于零，而而更容易產生更容易產生 。 未加偏壓時的耗盡層未加偏壓時的耗盡層34 加反向偏壓加反向偏壓時的耗盡層時的耗盡層UU+U 合成電場合成電場流過流過PNPN結的電流稱為反結的電流稱為反向飽和電流向飽和電流( (即即I IS S) )，PNPN結結呈現(xiàn)為大電阻。該狀態(tài)呈現(xiàn)為大電阻。該狀態(tài)稱：稱：未加偏壓時的耗盡層未加偏壓時的耗盡層小結小結 n PNPN結加正向電壓時結加正向電壓時，正向擴散電流遠大于漂移電流，正向擴散電流

18、遠大于漂移電流，PNPN結結導通導通；PNPN結加反向電壓時結加反向電壓時，僅有很小的反向飽和電流，僅有很小的反向飽和電流I IS S，考慮到考慮到I IS S 0 0，則認為，則認為PNPN結截止結截止。 n PNPN結正向導通、反向截止的特性稱結正向導通、反向截止的特性稱PNPN結的結的。PNPN結外加反向電壓且電壓值超過一定限度時，反向結外加反向電壓且電壓值超過一定限度時，反向電流急劇增加而結兩端電壓基本不變的現(xiàn)象。電流急劇增加而結兩端電壓基本不變的現(xiàn)象。(2)(2)擊穿特性擊穿特性 2. PN2. PN結的特性結的特性 擊穿不一定導致?lián)p壞。擊穿不一定導致?lián)p壞。 利用利用PNPN結擊穿特性可以制作穩(wěn)壓管。結擊穿特性可以制作穩(wěn)壓管。 雪崩擊穿雪崩擊穿擊穿分類擊穿分類(2)(2)擊穿特性擊穿特性 2. PN2. PN結的特性結的特性 齊納擊穿齊納擊穿雪崩擊穿雪崩擊穿( (碰撞擊穿碰撞擊穿) )時，空間電荷區(qū)的合成電場較強，通過空間時，空間電荷區(qū)的合成電場較強，通過空間電荷區(qū)的電子在強電場的作用下加速獲得很大的動能，于是電荷區(qū)的電子在強電場的作用下加