模電chapter2-1

1、主要內(nèi)容鏈接主要內(nèi)容鏈接F 2.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識 1. 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 2. 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 3. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體F 2.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成 2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?3. PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿第二章第二章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路半導(dǎo)體二極管及其基本電路2.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識1. 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料(1) 半導(dǎo)體的概念半導(dǎo)體的概念導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為

2、半導(dǎo)體。(2) 常用半導(dǎo)體材料常用半導(dǎo)體材料 元素半導(dǎo)體材料：硅元素半導(dǎo)體材料：硅(Si)、鍺、鍺(Ge)等等 化合物半導(dǎo)體材料：砷化鎵化合物半導(dǎo)體材料：砷化鎵(GaAs)等等 用于摻雜或制成其它化合物半導(dǎo)體的材料：用于摻雜或制成其它化合物半導(dǎo)體的材料： 硼硼(B)、磷、磷(P)、銦、銦(In)、銻、銻(Sb)等等 cm10cm1093絕緣體電阻率導(dǎo)體電阻率2. 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子序數(shù)分別為硅和鍺的原子序數(shù)分別為14和和32，它們的最外，它們的最外層原子軌道上均有層原子軌道上均有4個(gè)價(jià)電子個(gè)價(jià)電子，為，為四價(jià)元素四價(jià)元素。原子實(shí)：原子實(shí)：原子核和原子核和內(nèi)層軌道電

3、子內(nèi)層軌道電子2. 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)3. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制(1) 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的，結(jié)構(gòu)完整的晶體。本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的，結(jié)構(gòu)完整的晶體。(2) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 自由自由電子電子 空穴空穴 本征本征激發(fā)激發(fā) 導(dǎo)電導(dǎo)電機(jī)制機(jī)制空穴的補(bǔ)充說明空穴的補(bǔ)充說明空穴的概念：空穴的概念： 空穴不是真實(shí)的粒子，是為了描述電子運(yùn)動空穴不是真實(shí)的粒子，是為了描述電子運(yùn)動的方便而引入的假想粒子的方便而引入的假想粒子 空穴順著外加電場的方向移動，它實(shí)際反映空穴順著外加電場的方向移動，它實(shí)際反映了價(jià)電子逆著電場方向填補(bǔ)空穴的運(yùn)動

4、了價(jià)電子逆著電場方向填補(bǔ)空穴的運(yùn)動 每個(gè)空穴帶一個(gè)單位正電荷每個(gè)空穴帶一個(gè)單位正電荷在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴是在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴是成對出成對出現(xiàn)現(xiàn)的的(常常稱之為常常稱之為“電子空穴對電子空穴對”)，即，即本本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴兩種載流子數(shù)是征半導(dǎo)體中自由電子和空穴兩種載流子數(shù)是相等的。相等的。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制說明半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制說明半導(dǎo)體中電子的導(dǎo)電分兩種形式：一種是自半導(dǎo)體中電子的導(dǎo)電分兩種形式：一種是自由電子在晶體中的自由移動，稱為自由電子由電子在晶體中的自由移動，稱為自由電子導(dǎo)電；一種是價(jià)電子逆著電場方向填補(bǔ)空穴導(dǎo)電；一種是價(jià)電子逆著電場方向填補(bǔ)空穴的運(yùn)動，這種

5、填補(bǔ)運(yùn)動是空穴的產(chǎn)生引起的，的運(yùn)動，這種填補(bǔ)運(yùn)動是空穴的產(chǎn)生引起的，且始終在原子的共價(jià)鍵之間進(jìn)行，它可看成且始終在原子的共價(jià)鍵之間進(jìn)行，它可看成是空穴順著電場方向的運(yùn)動，稱為空穴導(dǎo)電。是空穴順著電場方向的運(yùn)動，稱為空穴導(dǎo)電。所以所以半導(dǎo)體中存在兩種半導(dǎo)體中存在兩種載流子載流子：自由電子和自由電子和空穴，導(dǎo)電機(jī)制有自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電空穴，導(dǎo)電機(jī)制有自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電兩種。兩種。4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體如果在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其它適當(dāng)?shù)脑?，其如果在本征半?dǎo)體中摻入微量的其它適當(dāng)?shù)脑?，其?dǎo)電能力會有明顯改變，這稱為半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會有明顯改變，這稱為半導(dǎo)體的“摻雜特?fù)诫s特性性”，摻

6、入的元素叫，摻入的元素叫“雜質(zhì)雜質(zhì)”，摻雜后的半導(dǎo)體稱為，摻雜后的半導(dǎo)體稱為“雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體”。(1) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 (空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體)在本征硅或鍺中摻入少量在本征硅或鍺中摻入少量族元素雜質(zhì)，如硼、銦、族元素雜質(zhì)，如硼、銦、鋁等，則構(gòu)成鋁等，則構(gòu)成P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 或空穴型半導(dǎo)體；或空穴型半導(dǎo)體；或在砷化鎵中摻入少量或在砷化鎵中摻入少量族或族或族元素雜質(zhì)，也構(gòu)成族元素雜質(zhì)，也構(gòu)成P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。在在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)，型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)，因而空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載因而空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，這種半導(dǎo)體以

7、空穴導(dǎo)電為主。流子，這種半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主。(2) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 (電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體)在本征硅或鍺中在本征硅或鍺中摻入少量摻入少量族元族元素雜質(zhì)，如磷、素雜質(zhì)，如磷、砷、銻等，則構(gòu)砷、銻等，則構(gòu)成成N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 或或電子型半導(dǎo)體；電子型半導(dǎo)體；或在砷化鎵中摻或在砷化鎵中摻入少量入少量 或或族族元素雜質(zhì)，也構(gòu)元素雜質(zhì)，也構(gòu)成成N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。(2) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 (電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體)在在 N 型 半 導(dǎo)型 半 導(dǎo)體中，自由體中，自由電子為多數(shù)電子為多數(shù)載流子，空載流子，空穴為少數(shù)載穴為少數(shù)載流子，這種流子，這種半導(dǎo)體以自半導(dǎo)體以自由電子導(dǎo)電由電子導(dǎo)電為主

8、。為主。補(bǔ)充說明補(bǔ)充說明v 任何半導(dǎo)體中每時(shí)每刻都有電子和空穴的產(chǎn)任何半導(dǎo)體中每時(shí)每刻都有電子和空穴的產(chǎn)生與消亡，在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡，生與消亡，在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡，即在半導(dǎo)體中電子和空穴的濃度是一定的。即在半導(dǎo)體中電子和空穴的濃度是一定的。v 任何半導(dǎo)體中無論有多少電子和空穴，均是任何半導(dǎo)體中無論有多少電子和空穴，均是電中性的。電中性的。v 半導(dǎo)體中的電子和空穴在無電場、無濃度差半導(dǎo)體中的電子和空穴在無電場、無濃度差時(shí)作雜亂無章的時(shí)作雜亂無章的熱運(yùn)動熱運(yùn)動；在有電場時(shí)，將作；在有電場時(shí)，將作定向的定向的漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動；當(dāng)同一種載流子存在濃度；當(dāng)同一種載流子存在濃度差時(shí)，將作差

9、時(shí)，將作擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動。2.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成用摻雜工藝使一塊半導(dǎo)體的一側(cè)形成用摻雜工藝使一塊半導(dǎo)體的一側(cè)形成P型半導(dǎo)體，另型半導(dǎo)體，另一側(cè)形成一側(cè)形成N型半導(dǎo)體，則兩種半導(dǎo)體交界處的一段區(qū)型半導(dǎo)體，則兩種半導(dǎo)體交界處的一段區(qū)域內(nèi)將形成域內(nèi)將形成PN結(jié)結(jié)?？昭昭ㄊ苤髫?fù)受主負(fù)離子離子自由自由電子電子施主正施主正離子離子載流子擴(kuò)散示意圖載流子擴(kuò)散示意圖 載流子濃度差載流子濃度差多子擴(kuò)散運(yùn)動多子擴(kuò)散運(yùn)動 空穴空穴 ： P區(qū)向區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散 電子電子： N區(qū)向區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散空間電荷區(qū)示意圖空間電荷區(qū)示意圖 多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)

10、內(nèi)內(nèi)(建建)電場電場 內(nèi)電場內(nèi)電場抑制抑制多子擴(kuò)散、多子擴(kuò)散、促進(jìn)促進(jìn)少子漂移少子漂移 少子漂移少子漂移空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)變薄內(nèi)內(nèi)(建建)電場減弱電場減弱多子擴(kuò)散加強(qiáng)多子擴(kuò)散加強(qiáng)載流子的濃度差使多子產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動，其載流子的濃度差使多子產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動，其結(jié)果使空間電荷區(qū)加寬、內(nèi)電場增強(qiáng)，而結(jié)果使空間電荷區(qū)加寬、內(nèi)電場增強(qiáng)，而內(nèi)電場增強(qiáng)反過來阻止了多子的擴(kuò)散、促內(nèi)電場增強(qiáng)反過來阻止了多子的擴(kuò)散、促進(jìn)了少子的漂移，其結(jié)果又使空間電荷區(qū)進(jìn)了少子的漂移，其結(jié)果又使空間電荷區(qū)變窄、內(nèi)電場減弱，從而又促進(jìn)了多子的變窄、內(nèi)電場減弱，從而又促進(jìn)了多子的擴(kuò)散。如此相互制約，擴(kuò)散。如此相互制約，當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動和漂移

11、當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，便形成穩(wěn)定的運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，便形成穩(wěn)定的平衡平衡PN結(jié)。結(jié)。PN結(jié)形成過程描述結(jié)形成過程描述接觸電接觸電位差位差勢壘勢壘PNPN結(jié)結(jié)耗盡區(qū)耗盡區(qū)勢壘區(qū)勢壘區(qū)阻擋層阻擋層2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)在不同極性的外加電壓作用時(shí)，其導(dǎo)電能力有結(jié)在不同極性的外加電壓作用時(shí)，其導(dǎo)電能力有顯著差異。顯著差異。外加正向電壓導(dǎo)通，外加反向電壓截止外加正向電壓導(dǎo)通，外加反向電壓截止。 (1) 外加正向電壓外加正向電壓 何為正向電壓何為正向電壓 空間電荷區(qū)發(fā)空間電荷區(qū)發(fā)生了什么變化，生了什么變化，為什么為什么 何種類型的電何種類型的電流，流向如何流，流向如

12、何當(dāng)當(dāng)PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)接外加電壓的正極，區(qū)接外加電壓的正極，N區(qū)接外加電壓區(qū)接外加電壓的負(fù)極，稱的負(fù)極，稱PN結(jié)外加結(jié)外加正向電壓正向電壓(正向偏置電壓，正正向偏置電壓，正偏偏)。此時(shí)。此時(shí)PN結(jié)的空間電荷區(qū)被削弱，擴(kuò)散電流遠(yuǎn)結(jié)的空間電荷區(qū)被削弱，擴(kuò)散電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漂移電流，電路中形成遠(yuǎn)大于漂移電流，電路中形成正向電流正向電流IF，而且，而且IF會隨外加電壓的升高急速上升。這時(shí)稱會隨外加電壓的升高急速上升。這時(shí)稱PN結(jié)為結(jié)為導(dǎo)導(dǎo)通狀態(tài)通狀態(tài)，它可看成一個(gè)阻值很小的電阻。，它可看成一個(gè)阻值很小的電阻。PN結(jié)正向?qū)щ娦哉f明結(jié)正向?qū)щ娦哉f明(2) 外加反向電壓外加反向電壓 何為反向電何為反向電壓壓 空

13、間電荷區(qū)空間電荷區(qū)發(fā)生了什么發(fā)生了什么變化，為什變化，為什么么 何種類型的何種類型的電流，流向電流，流向如何如何當(dāng)當(dāng)PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)接外加電壓的負(fù)極，區(qū)接外加電壓的負(fù)極，N區(qū)接外加電壓區(qū)接外加電壓的正極，稱的正極，稱PN結(jié)外加結(jié)外加反向電壓反向電壓(反向偏置電壓，反反向偏置電壓，反偏偏)。此時(shí)。此時(shí)PN結(jié)的空間電荷區(qū)增厚，擴(kuò)散電流趨近結(jié)的空間電荷區(qū)增厚，擴(kuò)散電流趨近于零，漂移電流較大，電路中形成于零，漂移電流較大，電路中形成反向電流反向電流IR。IR很小，它不受外加電壓的影響，只和溫度有關(guān)，很小，它不受外加電壓的影響，只和溫度有關(guān)，又稱為又稱為反向飽和電流反向飽和電流IS。這時(shí)稱。這時(shí)稱PN結(jié)

14、為結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)，它可看成一個(gè)阻值很大的電阻。它可看成一個(gè)阻值很大的電阻。PN結(jié)反向?qū)щ娦哉f明結(jié)反向?qū)щ娦哉f明AAIs6991510101010鍺：硅：(3) PN結(jié)結(jié)VI特性的表達(dá)式特性的表達(dá)式)1(/ TDVvSDeIi結(jié)的電流通過PN:Di結(jié)兩端的外加電壓PN:Dv溫度的電壓當(dāng)量:TVqkTVT為電子電荷量為熱力學(xué)溫度為波耳茲曼常數(shù)qTk V:K)(026. 0300 TVT常溫下硅硅PN結(jié)結(jié)VI特性示意圖特性示意圖)1(/ TDVvSDeIiTDVvSDTDeIiVv/: SDTDIiVv :VI特性隨溫度變化示意圖特性隨溫度變化示意圖)1(/ TDVvSDeIiT溫度每上升溫度每上升1 C，正向偏，正向偏置電壓減小置電壓減小2 2 . 5 m V溫 度 每 上 升溫 度 每 上 升10 C，反向飽，反向飽和電流增加和電流增加1倍倍3. PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿如果加在如果加在PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然增加，這種現(xiàn)象稱為反向電流突然增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的結(jié)的反向擊反向擊穿穿(電擊穿電擊穿)。發(fā)生擊穿所需的反向電壓。發(fā)生擊穿所需的反向電壓VBR稱為稱為反反向擊穿電壓向擊穿電壓。3. PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿產(chǎn)生反向擊穿的原因：在強(qiáng)電場