天津大学模电课件---半导体的基本知识.ppt

半导体的基本知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,1. 本征半导体及其导电性,(1)本征半导体的共价键结构,(2)电子空穴对,(3)空穴的移动,本征半导体化学成分纯净的半导体。,(1）本征半导体的共价键结构,基本概念：价电子 共价键结构,（2）电子空穴对,基本概念：本征激发 自由电子 空穴（载流子） 复合,图2 本征激发和复合的过程,(3) 空穴的移动,自由电子和空穴的定向运动形成了电流,图3 空穴在晶格中的移动,在本征半导体中：,1、电子、空穴成对出现 2、均参与导电 3 、 电子、空穴对的数目与温度成指数关系,2. 杂质半导体,(1) N型半导体 (2) P型半导体,杂质半导体：,本征半导体中掺入某些微量元素 作为杂质,(1）N型半导体,N型半导体（电子型半导体）： 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷。,图4 N型半导体结构示意图,(2) P型半导体,P型半导体(空穴型半导体): 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟。,图5 P型半导体的结构示意图,在杂质半导体中：,N型：电子数（n）空穴数（p） P型：空穴数（p） 电子数（n）,3. 杂质对半导体导电性的影响,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,PN结,1.PN结的形成,2.PN结的单向导电性,3.PN结的电容效应,1. PN结的形成,本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。在结合面上形成PN结。,图6 PN结的形成过程,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区, 空间电荷区形成内电场, 内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散,PN结形成过程：,2. PN结的单向导电性,（1）什么是单向导电性 （2）单向导电性的机理,(1) PN结加正向电压时的导电情况,图7 PN结加正向电压 时的导电情况,(2) PN结加反向电压时的导电情况,本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流,图 8 PN结加反向电压时的导电情况,3. PN结的电容效应,1.势垒电容CB,2.扩散电容CD,(1) 势垒电容CB,图9 势垒电容示意图,外加电压变化,空间电荷区的厚度改变,多子浓度梯度变化,(2) 扩散电容CD,外加正向电压变化,图 10 扩散电容示意图,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图01.11（a）、（b）、（c）所示。 (1) 点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。 (2) 面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。 (3) 平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,双极型半导体三极管,1、双极型半导体三极管的结构 2、双极型半导体三极管电流的分配与控制 3、双极型半导体三极管的电流关系,1.双极型半导体三极管的结构,图 两种极性的双极型三极管,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极， 用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。,1、发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。,2、发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低;集电结面积大;基区要制造得很薄。,图：三极管符号,2. 三极管的电流分配与控制,放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。,工作时一定要加上适当的直流偏置电压。,IE= IEN+ IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ，ICNIBN,IC=ICN+ ICBO,IB=IEP+ IBNICBO,IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) IE =IC+IB,3、双极型半导体三极管的电流关系,(1)三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,三极管的三种组态,(2)三极管的电流放大系数,称为共基极直流电流放大系数。,IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO,因 1, 所以 1,定义: =IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB 称为共发射极接法直流电流放大系数。于是,2. 金属氧化物半导体三极管MOSFET,1.结型场效应三极管JFET,增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,场效应半导体三极管,(1)N沟道增强型MOSFET 结构,图 N沟道增强型 MOSFET结 构示意图,工作原理 1栅源电压VGS的控制作用,(2) 0VGSVT VT 称为开启电压,(3) VGSVT,(1) VGS=0,反型层 增强型MOS管,2漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,漏源电压VDS对沟道的影响,(1) VDS为0或较小时 (VGSVT),(2)VDS增加 VGD=VT,(3)VDS增加 VGDVT,(1) VDS 0，VGS=0， ID不等于0。 （2）VGS0时，ID 。 （3）VGS0时，ID 。,(2)N