1-12 半導體PN結.ppt

1、1,第一章 半導體器件,本章是本課程的基礎，應著重掌握以下要點： （1）半導體的導電特性。 （2）PN結的形成及其單向導電性 （3）三極管的結構、類型及其電流放大原理 （4）三極管的特性及其主要參數(shù) 本章內(nèi)容： 1.1 半導體基礎知識 1.2 PN結 1.3 半導體二極管 1.4 半導體三極管,2,1.1.1 本征半導體 1）導體、半導體和絕緣體,導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。,絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。,1.1 半導體的基本知識,3,半導體的導電機理不同于其它物

2、質，所以它具有不同于其它物質的特點。例如：,當受外界熱和光的作用時，它的導電能 力明顯變化。,往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使 它的導電能力明顯改變。,半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs以及一些硫化物、氧化物等。,4,本征半導體化學成分純凈的半導體。 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。,2） 本征半導體,硅(鍺)的原子結構,簡化模型,(束縛電子),現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。 它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。,5,(1）本征半導體的共價鍵結構

3、,硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。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，在空間形成排列有序的晶體。,6,硅和鍺的共價鍵結構,共價鍵共 用電子對,+4表示除去價電子后的原子,7,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。,共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,8,（2）電子空穴對,當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有些獲得

4、足夠的能量的價電子可以掙脫原子核的束縛，成為自由電子。,自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。,9,自由電子,空穴,束縛電子,可見：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。,10,游離的部分自由電子在運動中也可能回到空穴中去。自由電子和空穴相遇重新結合成對消失的過程，稱為復

5、合 。,這一現(xiàn)象稱為復合。,本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。,本征激發(fā)和復合的過程,11,(3)本征半導體的導電機理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。,本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,12,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。,本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。,本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。,自由電子的定向運動

6、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。 空穴的運動 = 相鄰共價鍵中的價電子反向依次填補空穴位來實現(xiàn)的,13,本征激發(fā)：,在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位（空穴）的過程。,復合：,自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。,漂移：,自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。,兩種載流子,電子（自由電子）,空穴,兩種載流子的運動,自由電子（在共價鍵以外）的運動,空穴（在共價鍵以內(nèi)）的運動,結論:,1. 本征半導體的電子空穴成對出現(xiàn), 且數(shù)量少；,2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；,3. 本征半導體導電

7、能力弱，并與溫度有關。常溫下。電子-空穴對僅為三萬億分子一。,總結,14,1.1.2 雜質半導體,1）本征半導體缺點？,(1)電子濃度=空穴濃度； (2)載流子少，導電性差，溫度穩(wěn)定性差！,在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。摻入的雜質主要是三價或五價元素。 摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體,2）雜質半導體,15,(1）N型半導體,在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，即可形成 N型半導體,也稱電子型半導體。 因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電

8、子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易被激發(fā)而成為自由電子。,在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由 雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。,提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為 正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。,16,N 型半導體,磷原子,自由電子,電子數(shù) 空穴數(shù),電子為多數(shù)載流子(多子),空穴為少數(shù)載流子(少子),載流子數(shù) = 電子數(shù) + 空穴數(shù) 電子數(shù),施主 離子,施主 原子,由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（

9、少子）。,17,(2) P型半導體,在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。 因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。,空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三 價雜質 因而也稱為受主雜質。,18,硼原子,空穴,空穴數(shù) 電子數(shù),空穴 多子,電子 少子,載流子數(shù) 空穴數(shù),受主 離子,受主 原子,P型半導體,P型半導體中 空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。,19,3）雜質半導體的示意表示法,雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)

10、量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。,N 型半導體,P型半導體,20,4）雜質半導體的導電作用,I,IP,IN,I = IP + IN,N 型半導體 I IN,P 型半導體 I IP,21,5）雜質對半導體導電性的影響,摻入雜 質對本征半導體的導電性有很大 的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:,以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。,22,漂移運動：兩種載流子（電子和空穴）在電場的作用下產(chǎn)生的定向運動。 兩種載流子運動產(chǎn)生的電流方向一致。,1.1.3 半導體載流子的運動,。,電流I,。,.,.,空穴,。,電子,電場作用下的漂移運動,23,擴散運動：由于載流子濃度的差異，

11、而形成的載流子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散，產(chǎn)生擴散運動。,空穴擴散示意,24,1.2.1 PN結的形成,在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:,1.2 PN結,25,一多數(shù)載流子的擴散 P型半導體和N型半導體有機地結合在一起時，因為P區(qū)一側空穴多，N區(qū)一側電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會向N區(qū)擴散，并在N區(qū)被電子復合。而N區(qū)中的電子也會向P區(qū)擴散，并在P區(qū)被空穴復合。隨著擴散運動的不斷進行，界面兩側顯露出的正、負離子逐漸增多，空間電荷區(qū)展寬，使內(nèi)電場不斷增強，

12、于是漂移運動隨之增強。,二少數(shù)載流子的漂移 在內(nèi)電場的作用下，P區(qū)中的少子自由電子向N區(qū)漂移，而N區(qū)中的少子空穴向P區(qū)飄移，使內(nèi)電場削弱。,26,三擴散與漂移的動態(tài)平衡 當內(nèi)電場達到一定值時，多子的擴散運動與少子的漂移運動達到動態(tài)平衡時，這時，雖然擴散和漂移仍在不斷進行，但通過界面的凈載流子數(shù)為零?？臻g電荷區(qū)不再變化，這個空間電荷區(qū)，就稱為PN結。 空間電荷區(qū)無載流子停留，故曰耗盡層，又叫阻擋層或勢壘層。無外電場作用時，PN結內(nèi)部雖有載流子運動，但無定向電流形成。 實際中，如果P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)相對界面對稱，稱為對稱結。如果一邊摻雜濃度大(重摻雜)，一邊摻雜濃度小(輕摻雜)，則

13、稱為不對稱結。用P+N或PN+表示(+號表示重摻雜區(qū))。這時耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。,27,PN結的形成過程,在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:,因濃度差 多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū), 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場, 內(nèi)電場促使少子漂移, 內(nèi)電場阻止多子擴散,28,對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。,最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡,形成PN結 。 擴散電流 = 漂移電流 總電流 = 0,P N,+,-

14、,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,由于接觸面載流子運動形成PN結示意圖,內(nèi)電場 - +,擴散運動 漂移運動,29,實質上： PN結=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場=電阻,空間電荷區(qū)特點: 無載流子 阻止多子的擴散進行 利于少子的漂移,P N,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,30,1.2.2 PN結的單向導電性,如果外加電壓使PN結中： P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；,PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)， PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。,P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加

15、反向電壓， 簡稱反偏。,31,內(nèi)電場,外電場,外電場使多子向 PN 結移動, 中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。,擴散運動加強形成正向電流 IF 。,IF = I多子 I少子 I多子,（1） 外加正向電壓(正向偏置), forward bias,PN結外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內(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。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現(xiàn)低阻性。,32,(2) 外加反向電壓(反向偏置), reverse bias,外電場使少子背離 PN 結移動， 空間電荷區(qū)變寬。,PN 結的單向導電性：正偏導通，呈

16、小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。,漂移運動加強形成反向電流 IR,IR = I少子 0,PN結外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現(xiàn)高阻性。,33,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，這個電流也稱為反向飽和電流。,PN結變窄,P N,+ - R,外加正向電壓示意(導電）,PN結變寬,P N,- + R,外加反向電壓示

17、意（截止）,正向電流If,反向電流Is,34,(3) PN 結的單向導電性,正偏導通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，具有很小的反向漂移電流，電流近似為零。,由此可以得出結論： PN結具有單向導電性。,35,ID _流過PN結的電流； IS _反向飽和電流； u 為結電壓 UT溫度的電壓當量， k 為波耳次曼常數(shù)（1.38110-3J/k） T 為絕對工作溫度 q 為電子電荷量1.610-19C,1.2.3 PN結的伏安(V-A)特性,1）、表達式：,當 T = 300(27C)：,UT = 26 mV,36,2）、V-A特性曲線,加正向電壓時,加反向電壓時,iIS,37,當反向電壓

18、超過反向擊穿電壓UB時，反向電流 將急劇增大，而PN結的反向電壓值卻變化不大，此 現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。,1.2.4 PN結的擊穿特性,U U（BR）,反向電流急劇增大,(反向擊穿),1）反向擊穿類型：,電擊穿,熱擊穿, PN結未損壞，斷電即恢復。, PN結燒毀。,38,2）反向擊穿原因：,雪崩擊穿:,反向電場使電子加速，動能增大，撞擊 使自由電子數(shù)突增。,(擊穿電壓 6V, 正溫度系數(shù)),擊穿電壓在 6 V左右時，溫度系數(shù)趨近零。,雪崩擊穿：當反向電壓足夠 高時（U6V）PN結中內(nèi)電場較強，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對，又被加速，而形成連鎖反應，使載流子劇增，反向電流驟增。,39,齊納擊穿： （Zener),反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓 6V, 負溫度系數(shù)),齊納擊穿： 對摻雜濃度高的半導體，PN結的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U6V），耗盡層可獲得很大的場強，足以將價電子從共價鍵中拉出來，而獲得更多的電子空穴對，