半導(dǎo)體基本知識

1、第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.1 1.1 半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體基本知識1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.3 PN結(jié)及其特性結(jié)及其特性第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 電子系統(tǒng)是由若干基本電路組成的電子系統(tǒng)是由若干基本電路組成的具有特定功能的電路整體。具有特定功能的電路整體。 以模擬信號為研究對象的電路，在以模擬信號為研究對象的電路，在電子系統(tǒng)中稱為模擬電路。電子系統(tǒng)中稱為模擬電路。 半導(dǎo)體器件是模擬電路中的基本元半導(dǎo)體器件是模擬電路中的基本元件，本章討論常用的半導(dǎo)體器件。件，本章討論常用的半導(dǎo)體器件。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)

2、體器件 1.1 半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體基本知識 自然界中的物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電能力的不同分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。典型的半導(dǎo)體材料有硅(Si)和鍺(Ge)，以及砷化鎵(GaAs)等。 半導(dǎo)體具有一些獨特的物理特性，利用這些特性可制成電子電路需要的各種不同性能、不同用途的半導(dǎo)體器件。例如二極管、雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管等。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件圖1.1和圖1.2展示了電子電路中一些常用半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體晶體管的照片。圖1.1 各種半導(dǎo)體二極管的照片 圖1.2 各種晶體管的照片第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 1.本征半導(dǎo)體的定義本征

3、半導(dǎo)體的定義 本征半導(dǎo)體是化學(xué)成分純凈、物理結(jié)構(gòu)完本征半導(dǎo)體是化學(xué)成分純凈、物理結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。整的半導(dǎo)體。1.1.1 本征半導(dǎo)體第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 2.2.本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)有一個共同點半導(dǎo)體材料硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)有一個共同點, ,即都是四價元素即都是四價元素, ,其原子的最外層電子數(shù)都是其原子的最外層電子數(shù)都是4 4個，個，原子的最外層電子稱為價電子原子的最外層電子稱為價電子, ,如圖如圖1.31.3（a a）(b)(b)所示。所示。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與價電子有關(guān)，因此，價半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與價電子有關(guān)，因此，價電子

4、是我們要研究的對象。原子的內(nèi)層電子與原電子是我們要研究的對象。原子的內(nèi)層電子與原子核構(gòu)成穩(wěn)定的慣性核子核構(gòu)成穩(wěn)定的慣性核，我們用，我們用+4+4代表慣性核所代表慣性核所具有的電荷量，用圖具有的電荷量，用圖1.31.3（c c）表示硅或鍺的簡化）表示硅或鍺的簡化原子結(jié)構(gòu)模型。原子結(jié)構(gòu)模型。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件4(a)32(b)14慣性核價電子(c)圖圖 1.3 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型 (a) 硅；硅； (b) 鍺；鍺； (c) 原子簡化模型原子簡化模型第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 硅或鍺制成單晶體后，由于晶體中原子之間距硅或鍺制成單晶體后，由于晶

5、體中原子之間距離很近，價電子不僅受到其所屬原子核的作用，離很近，價電子不僅受到其所屬原子核的作用，還受到相鄰原子的原子核的吸引，即一個價電還受到相鄰原子的原子核的吸引，即一個價電子為相鄰的兩個原子核所共有。這樣，相鄰原子為相鄰的兩個原子核所共有。這樣，相鄰原子之間通過共有價電子的形式而緊密結(jié)合起來，子之間通過共有價電子的形式而緊密結(jié)合起來，形成形成“共價鍵共價鍵”結(jié)構(gòu)，如圖結(jié)構(gòu)，如圖1.41.4所示。所示。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件圖圖1.4 1.4 硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 本征半導(dǎo)體晶體原子間的共價鍵具有很強本征半導(dǎo)體晶體原

6、子間的共價鍵具有很強的結(jié)合力，在絕對零度的結(jié)合力，在絕對零度(-237)(-237)時，并且在時，并且在無外界激發(fā)的條件下，價電子無法掙脫共價無外界激發(fā)的條件下，價電子無法掙脫共價鍵的束縛，不能自由移動，所以共價鍵內(nèi)的鍵的束縛，不能自由移動，所以共價鍵內(nèi)的價電子又叫束縛電子，這樣雖然有大量的價價電子又叫束縛電子，這樣雖然有大量的價電子，但沒有自由電子，此時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電子，但沒有自由電子，此時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電。電。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件3.本征激發(fā)與復(fù)合 當(dāng)半導(dǎo)體溫度上升或受光照時，價電子以當(dāng)半導(dǎo)體溫度上升或受光照時，價電子以熱運動的形式不斷從外界獲得一定的能量，熱運動的形式不

7、斷從外界獲得一定的能量，使價電子能量增高，有的價電子就可以掙使價電子能量增高，有的價電子就可以掙脫共價鍵的束縛跑出來，成為自由電子，脫共價鍵的束縛跑出來，成為自由電子，同時在原來的共價鍵的相應(yīng)位置上留下一同時在原來的共價鍵的相應(yīng)位置上留下一個空位，叫個空位，叫“空穴空穴”，如圖，如圖1.51.5所示。所示。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件圖圖1.5 本征激發(fā)本征激發(fā)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 空穴空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特點。的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特點。 顯然顯然, ,自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，所以稱它們?yōu)樽杂呻娮雍涂昭ㄊ浅蓪Τ霈F(xiàn)的，所以稱它們

8、為電電子子空穴對空穴對。 我們把在光或熱的作用下，本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子我們把在光或熱的作用下，本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象，叫空穴對的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。本征激發(fā)。 在熱運動過程中自由電子和空穴又可能重新相遇結(jié)合在熱運動過程中自由電子和空穴又可能重新相遇結(jié)合使電子使電子空穴對消失，這一現(xiàn)象稱為空穴對消失，這一現(xiàn)象稱為復(fù)合復(fù)合。 本征激發(fā)和復(fù)合總是存在、同時進(jìn)行的，在一定溫度本征激發(fā)和復(fù)合總是存在、同時進(jìn)行的，在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡。下會達(dá)到動態(tài)平衡。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件4.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 我們將可以運動的帶電粒子稱為載流子。本征激發(fā)產(chǎn)我們將可以運動的帶電粒子稱為

9、載流子。本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子將在電場的作用下定向運動形成電流，因生的自由電子將在電場的作用下定向運動形成電流，因此它構(gòu)成本征半導(dǎo)體中的一種載流子此它構(gòu)成本征半導(dǎo)體中的一種載流子電子載流子電子載流子。 由于共價鍵中出現(xiàn)了空位，在外電場或其他能源的由于共價鍵中出現(xiàn)了空位，在外電場或其他能源的作用下，鄰近的價電子就可以填補到這個空穴上，而在作用下，鄰近的價電子就可以填補到這個空穴上，而在這個價電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他價這個價電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他價電子又可以轉(zhuǎn)移到這個新的空位上，如圖電子又可以轉(zhuǎn)移到這個新的空位上，如圖1.61.6所示。所示。 為了區(qū)別于自由電子的

10、運動，我們把這種價電子的為了區(qū)別于自由電子的運動，我們把這種價電子的填補運動稱為空穴運動，因此認(rèn)為填補運動稱為空穴運動，因此認(rèn)為空穴也是一種載流子空穴也是一種載流子，它所帶電荷和電子相等，符號相反。它所帶電荷和電子相等，符號相反。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件圖圖1.6 電子與空穴的移動電子與空穴的移動第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 由此可見，本征半導(dǎo)體中存在由此可見，本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子兩種載流子：電子：電子和空穴。而金屬導(dǎo)體中只有一種載流子和空穴。而金屬導(dǎo)體中只有一種載流子電子。本電子。本征半導(dǎo)體在外電場作用下，兩種載流子的運動方向相征半導(dǎo)體在外電場作用下，兩種載

11、流子的運動方向相反而形成的電流方向相同。反而形成的電流方向相同。 自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。由于本征激發(fā)產(chǎn)半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。由于本征激發(fā)產(chǎn)生的電子生的電子空穴對的數(shù)目很少，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)空穴對的數(shù)目很少，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。電能力很弱。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.1.2 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素，可使半導(dǎo)體的在本征半導(dǎo)體中摻

12、入某些微量雜質(zhì)元素，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。質(zhì)半導(dǎo)體。1.N1.N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量五價雜質(zhì)元素，例如在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成磷，可形成N N型半導(dǎo)體。如圖型半導(dǎo)體。如圖1.71.7所示。所示。 在在N N型半導(dǎo)體中自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)，自由電子型半導(dǎo)體中自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)，自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。導(dǎo)電以電子為主，故此類半導(dǎo)體亦稱子

13、，由熱激發(fā)形成。導(dǎo)電以電子為主，故此類半導(dǎo)體亦稱為為電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件圖圖1.7 N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因失去了一提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因失去了一個價電子而帶正電荷，成為正離子，因此五個價電子而帶正電荷，成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 由于三價雜質(zhì)原子能獲得一個價電子而帶負(fù)電荷，成為由于三價雜質(zhì)原子能獲得一個價電子而帶負(fù)電荷，成為負(fù)離子，因此三價雜質(zhì)原子也稱為負(fù)離子，因此三價雜

14、質(zhì)原子也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。圖1.8 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 注意：注意：N N型、型、P P型半導(dǎo)體中的正負(fù)電荷數(shù)是相等的，它們型半導(dǎo)體中的正負(fù)電荷數(shù)是相等的，它們的作用互相抵消，因此保持電中性。的作用互相抵消，因此保持電中性。 為突出雜質(zhì)半導(dǎo)體的主要特征為突出雜質(zhì)半導(dǎo)體的主要特征, ,在畫在畫P P型或型或N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體時時, ,常常只畫多子和離子成對出現(xiàn)常常只畫多子和離子成對出現(xiàn), ,如圖如圖1.91.9所示的簡化模所示的簡化模型。型。圖1.9 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的簡化模型第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.1.3 PN結(jié)及其特性1. P

15、N1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成 如果在一塊本征半導(dǎo)體上的兩邊摻入不如果在一塊本征半導(dǎo)體上的兩邊摻入不同的雜質(zhì)，使一邊成為同的雜質(zhì)，使一邊成為P P型半導(dǎo)體，另一邊成型半導(dǎo)體，另一邊成為為N N型半導(dǎo)體，那么在這兩種半導(dǎo)體的交界面型半導(dǎo)體，那么在這兩種半導(dǎo)體的交界面附近將形成一層很薄的特殊導(dǎo)電層附近將形成一層很薄的特殊導(dǎo)電層PNPN結(jié)，結(jié)，PNPN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E漂移運動漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)

16、越寬。漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件漂移運動漂移運動P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到平衡，所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到平衡，離子薄層形成的離子薄層形成的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)稱為稱為PNPN結(jié)結(jié)。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件PN結(jié)結(jié)電位電位VV0+空間空間電荷電荷區(qū)區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常

17、用半導(dǎo)體器件2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽赑N結(jié)兩端外加電壓,稱為給PN結(jié)加以偏置電壓。 PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)接電源正極、區(qū)接電源正極、N 區(qū)接電源負(fù)極，區(qū)接電源負(fù)極，PN結(jié)結(jié)稱為稱為正向偏置。正向偏置。（1）PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件變薄變薄+RE內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。強能夠形成較大的擴散電流。PN結(jié)呈結(jié)呈現(xiàn)低阻性現(xiàn)低阻性第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件（2 2）PNPN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置 PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)接電源負(fù)極、區(qū)接電源負(fù)極、N 區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，PN

18、結(jié)稱為結(jié)稱為反向偏置。反向偏置。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件變厚變厚內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電量有限，只能形成較小的反向電流。流。+內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場NP+_REPN結(jié)呈現(xiàn)結(jié)呈現(xiàn)高阻性高阻性第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 在一定的溫度條件下，由本征激在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這

19、個電流也稱為個電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；阻，具有較大的正向擴散電流； PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單結(jié)具有單向?qū)щ娦?。向?qū)щ娦?。第?章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 （1） 數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式其中其中IS 反向飽和電流反向飽和電流UT 溫度的電壓當(dāng)量溫度的電壓當(dāng)量,室溫室溫下為下為26mV。3. PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 PN

20、結(jié)的伏安特性是描述流過結(jié)的伏安特性是描述流過PN結(jié)的電流與其上結(jié)的電流與其上所加電壓之間的關(guān)系。所加電壓之間的關(guān)系。) 1(TUvSeIi第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件（2）伏安特性曲線）伏安特性曲線圖1.13 PN結(jié)的伏安特性曲線第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 當(dāng)外加電壓當(dāng)外加電壓u為正值為正值時，時，PN結(jié)正偏，若結(jié)正偏，若u比比UT大，滿足大，滿足 時，時，則近有：則近有： ，即即i隨隨u按指數(shù)規(guī)律變化；按指數(shù)規(guī)律變化；) 1(TUueTUuSeIi 第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 當(dāng)外加電壓當(dāng)外加電壓v為負(fù)值為負(fù)值時，時，PN結(jié)反偏，結(jié)反偏，此此時時i-I

21、S ，說明反向電流與，說明反向電流與反向電壓大小無關(guān)。反向電壓大小無關(guān)。 PN結(jié)的反向飽和電結(jié)的反向飽和電流流IS一般很?。ü枰话愫苄。ü鑀N結(jié)結(jié)的的IS為納安量級，鍺為納安量級，鍺PN結(jié)的結(jié)的IS為微安量級），所為微安量級），所以以PN結(jié)反向特性曲線幾結(jié)反向特性曲線幾乎接近于橫坐標(biāo)。乎接近于橫坐標(biāo)。第第1章章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件 當(dāng)加到當(dāng)加到PNPN結(jié)上的反向電壓超過一定數(shù)結(jié)上的反向電壓超過一定數(shù)值后，共價鍵遭到破壞，使價電子脫離值后，共價鍵遭到破壞，使價電子脫離共價鍵束縛，產(chǎn)生電子共價鍵束縛，產(chǎn)生電子- -空穴對，反向空穴對，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊反向擊穿穿。 這時若對電流不加限制，就會造成這時若對電流不加限