電子技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)模擬部分李哲英02anal11課件

1-1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體物理的基本概念

Basicconceptsforsemiconductor

1-1-1半導(dǎo)體基本理論Theory1-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、原子的結(jié)構(gòu)atomarchitecture二、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)Massarchitecture三、絕緣體insulator、導(dǎo)體conductor、半導(dǎo)體semiconductor四、半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理一、PN結(jié)與電流控制方式currentcontrolstyle二、電場(chǎng)控制方式electronicfieldcontrol1電子工程系一、Atomarchitecture+原子核電子電子自由電子價(jià)電子價(jià)電子1-1-1半導(dǎo)體基本理論價(jià)電子掙脫原子核束縛成為自由電子的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。ValenceelectronNucleus2電子工程系二、Massarchitecture1-1-1半導(dǎo)體基本理論自由電子共價(jià)鍵共價(jià)鍵在一定條件下：價(jià)電子變成自由電子(激發(fā))產(chǎn)生空穴價(jià)電子或自由電子填補(bǔ)空穴(復(fù)合)空穴自由電子、空穴稱為載流子自由電子的移動(dòng)形成電子流規(guī)定電流方向?yàn)殡娮恿鞯姆捶较騢oleCommonvalenceexcitate3電子工程系四、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1-1-1半導(dǎo)體基本理論+32慣性核鍺原子硅原子+14原子結(jié)構(gòu)+4價(jià)電子慣性核等效模型InertianucleusSiliconatomGermaniumatomValenceatom5電子工程系四、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1-1-1半導(dǎo)體基本理論共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅晶體的空間排列共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體晶體：

由原子按結(jié)晶方式規(guī)則排列形成。本征半導(dǎo)體：

純凈、結(jié)構(gòu)完整、絕對(duì)溫度下沒有自由電子的半導(dǎo)體。CommonValence6電子工程系四、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1-1-1半導(dǎo)體基本理論電子與空穴對(duì)本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。

本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，沒有多余的自由電子或空穴。

本征半導(dǎo)體不會(huì)在外電場(chǎng)作用下形成電流。Electronandhole7電子工程系五、半導(dǎo)體導(dǎo)電原理1-1-1半導(dǎo)體基本理論半導(dǎo)體導(dǎo)電的基本方式半導(dǎo)體導(dǎo)電的基礎(chǔ)是電子-空穴對(duì)。半導(dǎo)體中的電流通過電子填補(bǔ)空穴方式實(shí)現(xiàn)的。載流子移動(dòng)需要外來能源。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度成正比。半導(dǎo)體中的電流與外加電壓之間存在非線性關(guān)系。Basicstyleofsemiconductor9電子工程系1-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PN結(jié)與電流控制方式PN結(jié)的形成PNjunctionN區(qū)P區(qū)

P型N型

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)擴(kuò)散diffuse:多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)漂移drift：少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫促使少子漂移阻止多子擴(kuò)散Depletionfield10電子工程系偏置電壓Biasvoltage1-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PNjunctionandcurrentcontrolPN結(jié)的單向?qū)щ娦評(píng)ni-directconduction

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)偏置bias：對(duì)半導(dǎo)體器件施加外界電壓。正向偏置反向偏置PN結(jié)不導(dǎo)電PN結(jié)導(dǎo)電11電子工程系1-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PNjunctionandcurrentcontrolPN結(jié)的V-A特性VBRIS反向飽和電流VT=kT/q0.026V(T=300K)溫度電壓當(dāng)量VD結(jié)電壓較高外電壓破壞了共價(jià)鍵，形成大反向電流。VI0VDIS非線性13電子工程系1-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PNjunctionandcurrentcontrolPN結(jié)的結(jié)電容PNjunctioncapacitorPN結(jié)兩側(cè)聚集了不同極性的電荷，這與電容器的效果是完全相同的。

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)14電子工程系NPPdgsVdsIsVds=0，Is=0Vds，Is

Vds>VP,Is基本不變AVDD過大，擊穿VP：夾斷電壓

利用PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)寬度控制導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制電流。IsVdsVP二、電場(chǎng)控制方式ElectricalfieldcontrolPN結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)控制方式（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)）15電子工程系外加正向偏置電壓VDVI0正向電壓與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱內(nèi)電場(chǎng)(變窄)。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流。PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性，正向電阻很小。PN結(jié)導(dǎo)電。IVP區(qū)N區(qū)

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)+-

17電子工程系外加反向偏置電壓IVP區(qū)N區(qū)

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)-+

反向電壓與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)(變寬)。漂移電流遠(yuǎn)大于擴(kuò)散電流。PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性，反向電阻很大。PN結(jié)不導(dǎo)電。漂移電流恒定，與反向電壓大小無關(guān)，也稱為反向飽和電流IS。VI0IS18電子工程系導(dǎo)體示例電阻很小。易受影響。19電子工程系半導(dǎo)體示例導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間導(dǎo)電性能易受影響由元素周期表中最外層為四個(gè)電子的元素所組成的物質(zhì)構(gòu)成。如：鍺、硅。21電子工程系圖為PN結(jié)正向輸出特性，如果PN結(jié)的溫度從25℃變化到45℃，試