11-12半導體基礎知識和PN結單向導電性課件

電子技術ElectronicTechnology

教材：

《電子技術》授課方法：講授、討論和練習相結合任課教師：郝振洋

E-mail:zhenyang_hao@0506301—304班學生成績統(tǒng)計0506305、0706101、301、302班學生成績統(tǒng)計電工技術電路定律、分析方法交流電路分析電磁學三相電動機電子技術電子技術的內(nèi)容簡介電子技術模擬電路數(shù)字電路處理時域中不連續(xù)信號的電路處理時域中連續(xù)信號的電路電子元器件基本放大電路運算放大器應用電路模擬電路數(shù)字電路電子技術緒論電子技術的發(fā)展概況電子技術的內(nèi)容簡介學習電子技術的目的學習電子技術的方法電子技術的發(fā)展概況電子技術電子技術的發(fā)展概況電子技術的定義：電子技術是根據(jù)電子學的原理，運用電子器件設計和制造某種特定功能的電路以解決實際問題的科學。

伴隨著電子技術的發(fā)展而飛速發(fā)展起來的電子計算機所經(jīng)歷的四個階段充分說明了電子技術發(fā)展的四個階段的特性：第一代（1946～1957）電子管計算機第二代（1958～1963）晶體管計算機第三代（1964～1970）集成電路計算機第四代（1971～）大規(guī)模集成電路計算機第一代（1946～1957）電子管計算機時代：它的基本電子元件是電子管，內(nèi)存儲器采用水銀延遲線，外存儲器主要采用磁鼓、紙帶、卡片、磁帶等。體積大，耗電多，速度低，造價高，使用不便，主要局限于一些軍事和科研部門進行科學計算。真空電子管電子數(shù)字積分計算機（ENIAC）第二代（1958～1963）晶體管計算機時代：它的基本電子元件是晶體管，內(nèi)存儲器大量使用磁性材料制成的磁芯存儲器。與第一代電子管計算機相比，晶體管計算機體積小，耗電少，成本低，邏輯功能強，使用方便，可靠性高

。晶體管IBM7090第三代（1964～1970）集成電路計算機時代：它的基本元件是小規(guī)模集成電路和中規(guī)模集成電路，磁芯存儲器進一步發(fā)展，并開始采用性能更好的半導體存儲器，運算速度提高到每秒幾十萬次基本運算。體積縮小，價格降低，功能增強，可靠性大大提高。IBM360小規(guī)模集成電路板第四代（1971～）大規(guī)模集成電路計算機時代：它的基本元件是大規(guī)模集成電路，甚至超大規(guī)模集成電路，集成度很高的半導體存儲器替代了磁芯存儲器，運算速度可達每秒幾百萬次，甚至上億次基本運算。具有體積小、功能強、可靠性高等特點。微控制芯片（MCU）基站射頻接收器A/DCPUD/A喇叭第一章半導體二極管和三極管

小結1.1半導體的基本知識1.2PN結及其單向導電性1.3半導體二極管1.4穩(wěn)壓管1.5半導體三極管1.1

半導體的基本知識1.1.1

導體、絕緣體和半導體1.1.2

本征半導體及其導電性

1.1.3

雜質半導體1.1.1

半導體的特性自然界按物質的導電性能的優(yōu)劣三大類：1.在自然界中，有的物質很容易導電，如銅、鋁、鐵、銀等，我們稱之為導體(ρ<10－4Ω·cm)

。

2.有的物質不導電，如塑料、陶瓷、石英、橡膠等，稱之為絕緣體(ρ>109Ω·cm

)。

3.還有一類物質，其導電性能介于導體和絕緣體之間，我們稱之為半導體，常用的半導體材料有硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等，其中硅/鍺應用最廣。半導體特點：

1)在外界能源的作用下，導電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。

2)在純凈半導體內(nèi)摻入雜質，導電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類。+14284Si硅原子結構示意圖+322818Ge鍺原子結構示意圖4原子結構示意圖+4硅、鍺原子的簡化模型平面結構立體結構+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2本征半導體本征半導體就是完全純凈的半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵價電子在絕對溫度T=0K（-273C）時，由于共價鍵中的電子被束縛著，本征半導體中沒有自由電子，不導電。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導體受熱或光照本征激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴自由電子空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。見動畫1-1（動畫）電子空穴成對產(chǎn)生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4電子空穴復合，成對消失電子和空穴產(chǎn)生過程動畫演示在外電場作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U電子運動形成電子電流+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U價電子填補空穴而使空穴移動，形成空穴電流半導體導電機理動畫演示空穴的移動

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。(1)在半導體中有兩種載流子這就是半導體和金屬導電原理的本質區(qū)別a.電阻率大(2)本征半導體的特點b.導電性能隨溫度變化大小結帶正電的空穴帶負電的自由電子本征半導體不能在半導體器件中直接使用

在本征半導體硅或鍺中摻入微量的其它適當元素后所形成的半導體根據(jù)摻雜的不同，雜質半導體分為N型導體P型導體(1)N型半導體

摻入五價雜質元素（如磷、砷）的雜質半導體1.1.3雜質半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4摻入少量五價雜質元素磷P+4+4+4+4+4+4+4+4+4P多出一個電子出現(xiàn)了一個正離子+4+4+4+4+4+4+4+4P++++++++++++++++++++++++++++++++++++半導體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子N型半導體形成過程動畫演示c.電子是多數(shù)載流子，簡稱多子;空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子。b.N型半導體中產(chǎn)生了大量的(自由）電子和正離子。小結a.N型半導體是在本征半導體中摻入少量五價雜質元素形成的。d.

因電子帶負電，稱這種半導體為N(nagetive)型或電子型半導體。(2)

P型半導體在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼等。B+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4B出現(xiàn)了一個空位+4+4+4+4+4+4B+4+4+4+4+4+4+4+4B+4+4負離子空穴------------------------------------半導體中產(chǎn)生了大量的空穴和負離子P型半導體的形成過程動畫演示c.

空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。d.

因空穴帶正電，稱這種半導體為P(positive)型或空穴型半導體。a.

P型半導體是在本征半導體中摻入少量的三價雜質元素形成的。b.

P型半導體產(chǎn)生大量的空穴和負離子。小結當摻入三價元素的密度大于五價元素的密度時，可將N型轉為P型；雜質半導體的轉型當摻入五價元素的密度大于三價元素的密度時，可將P型轉為N型。

：既然P型半導體的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，所以，P型半導體帶正電。此說法正確嗎？思考題1.2

PN結及其單向導電性1.2.1

PN結的形成1.2.2

PN結的單向導電性N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半導體為基片通過半導體擴散工藝1.2.1

PN結的形成使半導體的一邊形成N型區(qū)，另一邊形成P型區(qū)。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(1)在濃度差的作用下，電子從N區(qū)向P區(qū)擴散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(2)在濃度差的作用下，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------在濃度差的作用下，兩邊多子互相擴散。在P區(qū)和N區(qū)交界面上，留下了一層不能移動的正、負離子。小結N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------即PN結空間電荷層N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------形成內(nèi)電場內(nèi)電場方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN結一方面阻礙多子的擴散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------另一方面加速少子的漂移N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------當擴散與漂移作用平衡時a.流過PN結的凈電流為零b.PN結的厚度一定（約幾個微米）c.接觸電位一定（約零點幾伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------

（動畫1-3）勢壘U0形成電位勢壘N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN結形成過程動畫演示

（動畫1-3）當N區(qū)和P區(qū)的摻雜濃度不等時離子密度大空間電荷層較薄離子密度小空間電荷層較厚高摻雜濃度區(qū)域用N+表示++++++______PN+1.2.2PN結的單向導電性1．PN結正向偏置

PN結正向偏置——當外加直流電壓使PN結P型半導體的一端的電位高于N型半導體一端的電位時，稱PN結正向偏置，簡稱正偏。PN結反向偏置——當外加直流電壓使PN結N型半導體的一端的電位高于P型半導體一端的電位時，稱PN結反向偏置，簡稱反偏。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結正向偏置內(nèi)電場被削弱PN結變窄PN結呈現(xiàn)低阻、導通狀態(tài)多子進行擴散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EIFPN結正偏動畫演示（動畫1-4）內(nèi)電場增強PN結變寬PN結呈現(xiàn)高阻、截止狀態(tài)不利多子擴散有利少子漂移2．PN結反向偏置------PN++++++------------------------------++++