半導(dǎo)體基本知識

第一章常用的半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識①導(dǎo)體：非常容易導(dǎo)電一般金屬都是導(dǎo)體②絕緣體：基本不導(dǎo)電如：橡膠、陶瓷、塑料等③半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。高價元素，原子的最外層電子受原子核的束縛力很強常用的硅、鍺均為四價元素結(jié)構(gòu)：低價元素，最外層電子少于4個1.1.1本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體材料是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi通過一定的提純工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。即本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)一、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，形成本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)。共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子

常溫下價電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。

溫度升高或受到光的照射時，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。+4+4+4+4自由電子(帶負電）空穴原子帶正電空穴帶正電

半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。本征半導(dǎo)體外加電場：①自由電子定向移動，形成電子電流②價電子依次填補空穴，空穴定向移動，形成空穴電流本征半導(dǎo)體電流是兩個電流之和。本征半導(dǎo)體中有兩種載流子，自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。特殊性質(zhì)電子空穴對D:\模電\第1章常用半導(dǎo)體器件\動畫\電子空穴對的產(chǎn)生.avi的產(chǎn)生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度

一定溫度下，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，且自由電子與空穴的濃度相等。

溫度升高，熱運動加劇，自由電子增多，空穴也隨之增多，即載流子的濃度升高，導(dǎo)電性能增強。本征半導(dǎo)體載流子的濃度是環(huán)境溫度的函數(shù)。T=0K，自由電子與空穴的濃度均為零，本征半導(dǎo)體為絕緣體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能很差，且與環(huán)境溫度密切相關(guān)。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入摻入少量合適的雜質(zhì)元素摻入五價元素（如磷）一、N型半導(dǎo)體+4+4+5+4多余電子

雜質(zhì)原子最外層有五個價電子，除了與其它硅原子形成共價鍵，還多出一個電子。自由電子常溫下，熱激發(fā)正離子施主原子雜質(zhì)原子可以提供電子，稱之為施主原子。N型半導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生：1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴對。摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度，主要靠自由電子導(dǎo)電?！?/p>

N型半導(dǎo)體中：自由電子為多數(shù)載流子（多子），空穴為少數(shù)載流子（少子）。注：摻入雜質(zhì)的濃度不同，導(dǎo)電性不同二、P型半導(dǎo)體

雜質(zhì)原子最外層有三個價電子，與周圍原子形成共價鍵會形成空位。硅原子的外層電子來填補空位，在共價鍵中產(chǎn)生空穴。P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。摻入三價元素（如硼）+4+4+3+4空穴受主原子雜質(zhì)半導(dǎo)體簡化模型負電子（受主原子）P型半導(dǎo)體空穴自由電子正電子（施主原子）自由電子空穴N型半導(dǎo)體1.1.3PN結(jié)一、PN結(jié)的形成將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一硅片上

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面處，兩種載流子的濃度差很大，載流子進行擴散運動。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散N區(qū)的電子向P區(qū)擴散交界面處自由電子與空穴復(fù)合

P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動的，稱為空間電荷區(qū)。形成內(nèi)電場，由N區(qū)指向P區(qū)。阻止多子擴散動畫：PN結(jié)的形成促使少子漂移最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，形成PN結(jié)。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)擴散運動使空間電荷區(qū)逐漸變寬漂移運動使空間電荷區(qū)逐漸變窄擴散電流等于漂移電流，PN結(jié)內(nèi)沒有電流流過。

當(dāng)擴散和漂移運動達到平衡后，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)電場電位就相對穩(wěn)定下來。此時，有多少個多子擴散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產(chǎn)生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結(jié)的電流為0。內(nèi)電場空間電荷區(qū)耗盡層電子空穴P區(qū)N區(qū)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

在PN結(jié)的兩端外加電壓，破外原來的平衡狀態(tài)。①外加正向電壓電源正極接PN結(jié)的P端，負極接N端②外加反向電壓電源負極接PN結(jié)的P端，正極接N端P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為正向偏置或正向接法。

(1)PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況

外加的正向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。

PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖所示。

擴散電流源源不斷進行，形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通。

(2)PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場阻止擴散運動進行，加劇漂移運動，形成反向電流。

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)，這個電流也稱為反向飽和電流。

PN結(jié)外加正向電壓，具有較大的正向擴散電流；由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流?，F(xiàn)象：注：PN結(jié)導(dǎo)通時結(jié)壓降只有零點幾伏，所以應(yīng)在它所在回路串聯(lián)一個電阻，以限制回路電流，防止PN結(jié)因正向電流過大而損壞。

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與

。

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量

。

（a.減少、b.不變、c.增多）abc思考題：三、PN結(jié)的電流方程

理論分析表明：PN結(jié)所加端電壓u與流過它的電流i的關(guān)系為：IS—反向飽和電流，q—電子的電量k—玻爾茲曼常數(shù)，T—熱力學(xué)溫度令UT=kT/q，則得：常溫下，即T=300K時，UT≈26mV。

當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓，且u>>UT時，即i隨u按指數(shù)規(guī)律變化；

當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓，且|u|>>UT時，四、PN結(jié)的伏安特性當(dāng)反向電壓超過一定數(shù)值后，反向電流急劇增加，稱為反向擊穿。擊穿：齊納擊穿、雪崩擊穿i≈-IS①齊納擊穿②雪崩擊穿摻雜濃度越高，耗盡層寬度窄不大的反向電壓就可在耗盡層形成很強的電場，而直接破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛，產(chǎn)生電子—空穴對，致使電流急劇增大?！帻R納擊穿電壓較低，一般低于4V摻雜濃度較低，耗盡層寬度寬低電壓下不會發(fā)生齊納擊穿，當(dāng)反向電壓增加到較大數(shù)值時，耗盡層的電場使少子加快漂移速度，從而與共價鍵中的價電子相碰撞，把價電子撞出共價鍵，產(chǎn)生電子—空穴對，新產(chǎn)生的電子與空穴被電場加速后又撞出其它價電子，載流子雪崩式地倍增，致使電流急劇增加。雪崩擊穿電壓一般大于6V

擊穿電壓介于4V~6V，齊納擊穿和雪崩擊穿有可能同時發(fā)生。

當(dāng)電擊穿后，繼續(xù)提高反向電壓，流過PN結(jié)的反向電流增大到一定值，會使PN結(jié)因過熱而損壞。（熱擊穿）

PN結(jié)的擊穿并不意味著損壞，但是若不對電流加以限制都均可能造成PN結(jié)的永久損壞。當(dāng)反向電壓增加使PN結(jié)剛開始擊穿時，反向電流還不大，此時若降低反向電壓，PN結(jié)仍能正常工作。（電擊穿）

五、PN結(jié)的電容效應(yīng)(2)擴散電容Cd(1)勢壘電容Cb表征耗盡層內(nèi)電荷量的變化。表征耗盡層外中性區(qū)(P區(qū)和N區(qū))內(nèi)電荷量的變化。PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。(1)勢壘電容Cb

PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。(2)

擴散電容Cd

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散