第4章導(dǎo)電物理與性能1

1、LOGO第四章第四章 導(dǎo)電物理與性能學(xué)導(dǎo)電物理與性能學(xué)北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Contents材料的導(dǎo)電機(jī)理材料的導(dǎo)電性超導(dǎo)現(xiàn)象導(dǎo)電性的測(cè)量與應(yīng)用半導(dǎo)體相關(guān)知識(shí)4.1 電阻與導(dǎo)電的基本概念電阻與導(dǎo)電的基本概念v電阻： 用電阻的大小可以評(píng)價(jià)材料的導(dǎo)電性能。但電阻值不僅與材料的性能有關(guān)，還與材料的尺寸有關(guān)，因此 v電阻率： 為與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，稱為電阻率。 由于只與材料的本身性質(zhì)有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)，因此在評(píng)定不同材料的導(dǎo)電性能時(shí)，用 比 更確切。 IUR SLRR4.1 電阻與導(dǎo)電的基本概念電阻與導(dǎo)電的基本概念v電導(dǎo)率： 在研究材料的導(dǎo)電性能時(shí)，還

2、常用電導(dǎo)率 ，其與 的關(guān)系為 的單位為-1m-1或S/m（西門子/米），顯然， 值越大， 值越小，說明材料的導(dǎo)電性能愈好。14.1 電阻與導(dǎo)電的基本概念電阻與導(dǎo)電的基本概念電阻與電導(dǎo)基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體分類： p在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素，成為雜質(zhì)半導(dǎo)體，也叫非本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體與P-N結(jié)+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子像磷這樣向本征半導(dǎo)體提供電子作為載流子的雜質(zhì)稱為施主施主。60 在本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素原子，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：電子 pn2. P型半導(dǎo)體半導(dǎo)體與P-N結(jié)+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子v 像硼這樣向本征半導(dǎo)體提供空穴作

3、為載流子的雜質(zhì)稱為。半導(dǎo)體與P-N結(jié)非本征半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體相比具有如下特性： 摻雜濃度與原子密度相比雖然微小，但卻極大地提高了載流子濃度，導(dǎo)電能力因而也顯著增強(qiáng)。摻雜濃度越高，其導(dǎo)電能力也越強(qiáng)。 雖然非本征半導(dǎo)體中摻入的雜質(zhì)原子數(shù)量與本征半導(dǎo)體中原子數(shù)量相比只是少數(shù)，但非本征半導(dǎo)體由于雜質(zhì)原子而形成的載流子稱為多數(shù)載流子，而本征半導(dǎo)體由于熱激發(fā)所產(chǎn)生的載流子稱為少數(shù)載流子。 本征半導(dǎo)體中電子載流子和空穴載流子數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)體中電子載流子和空穴載流子數(shù)量不相等。 摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此非本征半導(dǎo)體主要依靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。當(dāng)摻入5價(jià)元素（施主）時(shí)，主要靠電子導(dǎo)電；當(dāng)摻入3價(jià)

4、元素（受主）時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電。62 將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。1. PN結(jié)的形成：漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：濃度差引起的非平衡載流子的運(yùn)動(dòng)。載流子的兩種運(yùn)動(dòng)P-N結(jié)半導(dǎo)體與P-N結(jié)63 多子擴(kuò)散 形成空間電荷區(qū) 建立內(nèi)電場(chǎng) 少子漂移 方向相反動(dòng)態(tài)平衡I j = 0PNPNPNUD空間電荷區(qū)耗盡層內(nèi)電場(chǎng)PNUD空間電荷區(qū)耗盡層內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的形成半導(dǎo)體與P-N結(jié)642. P-N結(jié)的單向?qū)щ娦?1) PN結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài) 外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子擴(kuò)散得到加強(qiáng)，少子漂移將被削弱

5、，擴(kuò)散電流大大超過漂移電流，最后形成較大的正向電流。 PN內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)IUER空間電荷區(qū)PN內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)IUER空間電荷區(qū)半導(dǎo)體與P-N結(jié)65(2) PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài) 外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，空間電荷區(qū)變寬內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，不利于多子的擴(kuò)散，有利于少子的漂移。在電路中形成了基于少子漂移的反向電流。由于少子數(shù)量很少，因此反向電流很小。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?即正偏導(dǎo)通，反偏截止。 PNERIU內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)空間電荷區(qū) PNERIU內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)空間電荷區(qū)半導(dǎo)體與P-N結(jié)2022-6-1066pn結(jié)U電勢(shì)2. 內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致載流子做反向漂移運(yùn)動(dòng)n型p型n型p型耗盡層1. 濃度的差別

6、導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)pn2022-6-1067反向偏壓使耗盡區(qū)加寬反向偏壓使耗盡區(qū)加寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)Un型p型耗盡層耗盡層pn2022-6-1068正向偏壓使耗盡區(qū)變窄正向偏壓使耗盡區(qū)變窄擴(kuò)散 漂移Un型p型耗盡層耗盡層pn2022-6-1069少子飄移少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散 又失去多子，耗盡層寬，又失去多子，耗盡層寬，EP型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+內(nèi)電場(chǎng)E多子擴(kuò)散電流多子擴(kuò)散電流少子漂移電流少子漂移電流耗盡層耗盡層動(dòng)態(tài)平衡：動(dòng)態(tài)平衡： 擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流 漂移電

7、流漂移電流總電流總電流0勢(shì)壘勢(shì)壘 UO硅硅 0.5V鍺鍺 0.1V70(1) PN結(jié)的電流方程) 1(S kTqueIi) 1(S TUueIi令: uT=kT/q 稱溫度電壓當(dāng)量T=300K時(shí)， uT=26mV 3. PN結(jié)的伏安特性iu0U(BR)iu0U(BR)半導(dǎo)體與P-N結(jié) PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通；結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向

8、導(dǎo)結(jié)具有單向?qū)щ娦?。電性?022-6-10723. PN結(jié)結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式的伏安特性曲線及表達(dá)式 根據(jù)理論推導(dǎo)，根據(jù)理論推導(dǎo)，PNPN結(jié)的伏安特性曲線如圖結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）（多子擴(kuò)散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向飽和電流反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿電壓反向擊穿反向擊穿熱擊穿熱擊穿燒壞燒壞PN結(jié)結(jié)電擊穿電擊穿可逆可逆陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽極引線陽極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼(a ) 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽

9、極引線陽極引線PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型陰極陰極陽極陽極( d ) 符號(hào)符號(hào) 半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極型晶體雙極型晶體管管（Bipolar Junction Transistor,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱BJT）。）。 BJT是由兩個(gè)是由兩個(gè)PN結(jié)組成的。結(jié)組成的。BJT的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號(hào)符號(hào):-bce-ebc 三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。）發(fā)射區(qū)的摻

10、雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。-NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極-PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極BJT工作模式v放大模式（放大模式（Active, Amplifier mode） 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏正偏，集電結(jié)，集電結(jié)反偏反偏v飽和模式（飽和模式（Saturation mode） 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏正偏，集電結(jié)，集電結(jié)正偏正偏v截止模式（截止模式（Cutoff mode） 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)反偏反偏，集電結(jié)，集電結(jié)反偏反偏2.1 放大模式下BJT工作原理（NPN管） 三極管在工作時(shí)三極管在工作時(shí)

11、要加上適當(dāng)?shù)闹绷饕由线m當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。偏置電壓。若在放大工作狀態(tài)：若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE UBEUCB集電結(jié)反偏：集電結(jié)反偏：由由VBB保證保證由由VCC、 VBB保證保證UCB=UCE - UBE 0NNPBBVCCVRbRCebc共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法c區(qū)區(qū)b區(qū)區(qū)e區(qū)區(qū) （1 1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形成了形成了擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流IEN 。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略但其數(shù)量小，可忽略。 所以發(fā)

12、射極電流所以發(fā)射極電流I E I EN 。 （2）發(fā)射區(qū)的電子注）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成復(fù)合掉，形成IBN。所以。所以基基極電流極電流I B I BN 。大部分到。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。達(dá)了集電區(qū)的邊緣。一一BJT內(nèi)部的內(nèi)部載流子傳輸過程內(nèi)部的內(nèi)部載流子傳輸過程N(yùn)NPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI（3）因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN 。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI 另外，集電結(jié)區(qū)另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移的少子形

13、成漂移電流電流ICBO。動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示College of Physics Science & TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science & TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINACollege of Physics Science & TechnologyYANGZHOU UNIVERSITYCHINA2、三極管的放大作用： 晶體三極管具有電流放大作用，其實(shí)質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們

14、將Ic/Ib的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號(hào)“”表示。電流放大倍數(shù)對(duì)于某一只三極管來說是一個(gè)定值，但隨著三極管工作時(shí)基極電流的變化也會(huì)有一定的改變。 三極管還可以作電子開關(guān)，配合其它元件還可以構(gòu)成振蕩器。半導(dǎo)體的物理效應(yīng)半導(dǎo)體的物理效應(yīng)0BTe熱敏效應(yīng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要是由電子和空穴造成的。溫度增加，使電子動(dòng)能增大，造成晶體中自由電子和空穴數(shù)目增加，因而使電導(dǎo)率升高。通常情況下，電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為式中：B為與材料有關(guān)的常數(shù)，表示材料的電導(dǎo)活化能。某些材料的B值很大，它在感受微弱溫度變化時(shí)電阻率的變化十分明顯。用途：熱敏溫度計(jì)、無觸點(diǎn)開關(guān)、火災(zāi)報(bào)警器等半導(dǎo)體的物理效應(yīng)半導(dǎo)體的物理效應(yīng)光

15、的照射使某些半導(dǎo)體材料的電阻明顯下降，這種用光的照射使電阻率下降的現(xiàn)象稱為“光電導(dǎo)”。光電導(dǎo)是由于具有一定能量的光子照射到半導(dǎo)體時(shí)把能量傳給它，在這種外來能量激發(fā)下，半導(dǎo)體材料產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，促使電阻率急劇下降?！肮庾印钡哪芰勘仨毚笥诎雽?dǎo)體禁帶寬度才能產(chǎn)生光電導(dǎo)。把光敏材料制成光敏電阻器，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)，如利用光敏電阻可以實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)化等。壓敏效應(yīng)包括電壓敏感效應(yīng)和壓力敏感效應(yīng)。1）電壓敏感效應(yīng)某些半導(dǎo)體材料對(duì)電壓的變化十分敏感，例如半導(dǎo)體氧化鋅陶瓷，通過它的電流和電壓之間不成線性關(guān)系，即電阻隨電壓而變。用具有壓敏特征的材料制成壓敏電阻器，可用于過電壓吸收、高壓穩(wěn)壓、避雷

16、器等。2）壓力敏感效應(yīng)能帶結(jié)構(gòu)和禁帶結(jié)構(gòu)與材料中的原子間距有關(guān)。處于高壓下的半導(dǎo)體材料，其原子間距變小，禁帶也隨之變小，電導(dǎo)率增大。所以通過測(cè)量電導(dǎo)率的變化，就可以測(cè)量壓力。利用這種特性可以制作壓力傳感器。p-n結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖 EC EfnEVEC Ef pEV- - - - - -EF qVDqVDx空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電勢(shì)由空間電荷區(qū)內(nèi)電勢(shì)由 np區(qū)不斷下降，區(qū)不斷下降，空間電荷區(qū)內(nèi)電勢(shì)能由空間電荷區(qū)內(nèi)電勢(shì)能由np區(qū)不斷升高，區(qū)不斷升高，p區(qū)能帶相對(duì)向上移，區(qū)能帶相對(duì)向上移， n區(qū)能帶向下移，至費(fèi)米能區(qū)能帶向下移，至費(fèi)米能級(jí)相等，級(jí)相等， n-p結(jié)達(dá)平衡狀態(tài)，沒有凈電流通過。

17、結(jié)達(dá)平衡狀態(tài)，沒有凈電流通過。 勢(shì)壘高度：勢(shì)壘高度：qVD = EFnEFpxV(x)VD-xpxnx qVDqVDxqV(x)0 xn-xp光照光照npnp+_En區(qū)空穴區(qū)空穴P區(qū)電子區(qū)電子 受光激發(fā)后，在兩者的結(jié)合區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生大量的受光激發(fā)后，在兩者的結(jié)合區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生大量的空穴載流子和電子載流子。這些正負(fù)電荷載流子還有可空穴載流子和電子載流子。這些正負(fù)電荷載流子還有可能再次結(jié)合。但一部分電子載流子會(huì)移動(dòng)到能級(jí)較低的能再次結(jié)合。但一部分電子載流子會(huì)移動(dòng)到能級(jí)較低的n型導(dǎo)帶，空穴載流子會(huì)移動(dòng)到能級(jí)較高型導(dǎo)帶，空穴載流子會(huì)移動(dòng)到能級(jí)較高p的型價(jià)帶，其結(jié)的型價(jià)帶，其結(jié)果是在果是在n型半導(dǎo)體中負(fù)電荷

18、增加，在型半導(dǎo)體中負(fù)電荷增加，在p型半導(dǎo)體中，正電型半導(dǎo)體中，正電荷增加，形成電流。但是這種電荷的增加不會(huì)無限地進(jìn)荷增加，形成電流。但是這種電荷的增加不會(huì)無限地進(jìn)行下去，正負(fù)電荷相互分離后，會(huì)產(chǎn)生反電位行下去，正負(fù)電荷相互分離后，會(huì)產(chǎn)生反電位to阻止正阻止正負(fù)電荷進(jìn)一步積累。這種反電位與正負(fù)電荷移動(dòng)的趨勢(shì)負(fù)電荷進(jìn)一步積累。這種反電位與正負(fù)電荷移動(dòng)的趨勢(shì)相互平衡后達(dá)到平衡狀態(tài)，就是太陽能電池產(chǎn)生的電動(dòng)相互平衡后達(dá)到平衡狀態(tài)，就是太陽能電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的最大值。勢(shì)的最大值。光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：1）用能量等于或大于禁帶寬度的光子照射）用能量等于或大于禁帶寬度的光子照射p-n結(jié)；結(jié)；2）p、n

19、區(qū)都產(chǎn)生電子區(qū)都產(chǎn)生電子空穴對(duì)，產(chǎn)生非平衡載流子；空穴對(duì)，產(chǎn)生非平衡載流子；3）非平衡載流子破壞原來的熱平衡；）非平衡載流子破壞原來的熱平衡；4）非平衡載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，）非平衡載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，n區(qū)空穴向區(qū)空穴向p區(qū)區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散，p區(qū)電子向區(qū)電子向n區(qū)擴(kuò)散；區(qū)擴(kuò)散；5）若）若p-n結(jié)開路，在結(jié)的兩邊積累電子結(jié)開路，在結(jié)的兩邊積累電子空穴對(duì)空穴對(duì),產(chǎn)產(chǎn)生開路電壓。生開路電壓。一 固體的能帶ee+s 1s2p2完 全 分 離 的 兩 個(gè) 氫 原 子 能 級(jí)ee+s 1s2p2ABOEr 兩個(gè)氫原子靠 得很近時(shí)的能級(jí)分裂s 1s2p2OErs 1s2 六個(gè)氫原子靠 得很近時(shí)的能級(jí)分裂OEr 固態(tài)晶 體的能帶s2每個(gè)能級(jí)有 個(gè)量子態(tài)) 12(2l每個(gè)能級(jí)容納 個(gè)電子) 12(2l每個(gè)能帶容納 個(gè)電子Nl) 12(2 金屬鈉的各 能帶上電子的分布s 1s2p2s3p3N2N2N6N實(shí)驗(yàn)表明: 一個(gè)能帶中最高能級(jí)與最低能級(jí)之間的間隔一般不超過eV