第1章—01-半导体基础知识

模拟电子技术基础 第1章常用半导体器件 电子系2010年9月ElectronicDepartmentSep 2010 问题 1 为什么用半导体材料制作电子器件 2 什么是空穴 空穴导电时电子运动吗3 P型和N型半导体的概念是什么 4 PN结上所加的电压和电流符合欧姆定律吗 5 常用电子器件主要有哪些 6 各种器件有何功能 7 晶体管和场效应管为什么可以用于放大信号 第一章 常用半导体器件 1 1 半导体的基础知识1 2 半导体二极管1 3 晶体三极管1 4 场效应管 第一章常用半导体器件 一 半导体特性二 本征半导体三 杂质半导体四 PN结 1 1 半导体基础知识 导体 导电率为105s cm 1 量级 如金属 S 西门子 绝缘体 导电率为10 22 10 14s cm 1量级 如 橡胶 云母 塑料 He Ne Ar Ke Xe Rn等惰性气体 导电能力介于导体和绝缘体之间 如 硅14 锗32 砷化镓等 半导体 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 温度特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光照特性 光敏器件光电器件 一 半导体特性 本征半导体 完全纯净 结构完整的半导体晶体 纯度 99 9999999 九个9 它在物理结构上呈单晶体形态 常用的本征半导体 4 晶体特征 在晶体中 质点的排列有一定的规律 硅 锗 的原子结构简化模型 价电子 正离子 注意 为了方便 原子结构常用二维结构描述 实际上是三维结构 二 本征半导体 锗晶体的共价键结构示意图半导体能带结构示意图 价带中留下的空位称为空穴 自由电子定向移动形成电子流 本征半导体的原子结构和共价键 共价键内的电子称为束缚电子 外电场E 束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流 二 本征半导体 挣脱原子核束缚的电子称为自由电子 1 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 它们是成对出现的 2 在外电场的作用下 产生电流 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的方向与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的方向与外电场方向相同始终在价带内运动 二 本征半导体 3 注意 本征半导体在热力学零度 0K 和没有外界能量激发下 晶体内无自由电子 不导电 载流子概念 运载电荷的粒子 本征半导体的载流子的浓度 电子浓度ni 表示单位体积内的自由电子数空穴浓度pi 表示单位体积内的空穴数 A0 与材料有关的常数EG0 禁带宽度T 绝对温度k 玻尔曼常数 1 本征半导体中电子浓度ni 空穴浓度pi 2 载流子的浓度与T EG0有关 二 本征半导体 载流子的产生与复合 g 载流子的产生率即每秒成对产生的电子空穴的浓度 R 载流子的复合率即每秒成对复合的电子空穴的浓度 当达到动态平衡时g RR rnipi其中r 复合系数 与材料有关 二 本征半导体 三 杂质半导体 杂质半导体 掺入杂质的本征半导体 掺杂后半导体的导电率大为提高 掺入的三价元素如B 硼 Al 铝 等 形成P型半导体 也称空穴型半导体 掺入的五价元素如P 磷 砷等 形成N型半导体 也称电子型半导体 N型半导体 5 5 在本征半导体中掺入的五价元素 如P 自由电子是多子 即多数载流子 空穴是少子 杂质原子提供 由热激发形成 由于五价元素很容易贡献电子 因此将其称为施主杂质 施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子 三 杂质半导体 5 5 自由电子是多子 即多数载流子 空穴是少子 问题 与本征半导体相比 N型半导体中空穴多了 还是少了 N型半导体 举例 锗原子密度为4 4 1022 cm3 锗本征半导ni 2 5 1013 cm3 若每104个锗原子中掺入1个磷原子 掺杂密度为万分之一 则在单位体积中就掺入了10 4 4 4 1022 4 4 1018 cm3个砷原子 则施主杂质浓度为 ND 4 4 1018 cm3 比ni大十万倍 杂质半导体小结 尽管杂质含量很少 如万分之一 但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量 载流子的浓度主要取决于多子 即杂质 故使导电能力激增 半导体的掺杂 温度等可人为控制 P型半导体 3 3 在本征半导体中掺入的三价元素如B 自由电子是少子 空穴是多子 杂质原子提供 由热激发形成 因留下的空穴很容易俘获电子 使杂质原子成为负离子 三价杂质因而也称为受主杂质 三 杂质半导体 杂质半导体的载流子浓度 N型半导体 施主杂质的浓度NDn表示总电子的浓度p表示空穴的浓度 n p ND ND 施主杂质的浓度 p P型半导体 NA表示受主杂质的浓度 n表示电子的浓度p表示总空穴的浓度 p n NA NA 受主杂质的浓度 n 三 杂质半导体 说明 因掺杂的浓度很小 可近似认为复合系数R保持不变 在一定温度条件下 空穴与电子浓度的乘积为一常数 结论 在杂质型半导体中 多子浓度比本征半导体的浓度大得多 而少子浓度比本征半导体的浓度小得多 但两者乘积保持不变 三 杂质半导体 其中 ni表示本征材料中电子的浓度pi表示本征材料中空穴的浓度 n p ni pi ni2 C 四 PN结 1 PN结的形成2 PN结的接触电位差3 PN结的伏安特性4 PN结的反向击穿5 PN结电容 1 PN结的形成 P区 N区 扩散运动 载流子从浓度大向浓度小的区域扩散 称扩散运动形成的电流成为扩散电流 内电场 内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动 扩散运动 漂移运动时达到动态平衡 耗尽层PN结 P区 N区 空穴 自由电子 负电荷 正电荷 内电场阻止多子扩散 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 扩散运动 多子从浓度大向浓度小的区域扩散 称扩散运动 扩散运动产生扩散电流 漂移运动 少子向对方漂移 称漂移运动 漂移运动产生漂移电流 动态平衡 扩散电流 漂移电流 PN结内总电流 0 PN结 稳定的空间电荷区 又称高阻区 也称耗尽层 1 PN结的形成 P区 N区 内电场 的建立 使PN结中产生了电位差 从而形成接触电位U 接触电位U 决定于材料及掺杂浓度 2 PN结的接触电位差 硅 U 0 6 0 7V锗 U 0 2 0 3V 3 PN结的伏安特性 1 PN结加正向电压时的导电情况 原理 外电场方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 内 外 结论 PN结正偏时 呈现低阻性 2 PN结加反向电压时的导电情况 原理 外电场与PN结内电场方向相同 增强内电场 内电场对多子扩散运动阻碍增强 扩散电流大大减小 少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 内 外 3 PN结的伏安特性 结论 PN结反偏时 呈现高阻性 近似为截止状态 结论是 PN结具有单向导电性 小结 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 3 PN结的伏安特性 问题 有必要加电阻R吗 PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式 式中Is 饱和电流 UT kT q 等效电压k 波尔兹曼常数 q为电子的电量 T 300k 室温 时UT 26mv 由半导体物理可推出 3 PN结的伏安特性 3 PN结电流方程 当加反向电压时 当加正向电压时 U UT 3 PN结的伏安特性 结电流方程 4 PN结的反向击穿 反向击穿 PN结上所加的反向电压达到某一数值时 反向电流激增的现象 雪崩击穿 当反向电压增高时 少子获得能量高速运动 在空间电荷区与原子发生碰撞 产生碰撞电离 形成连锁反应 象雪崩一样 使反向电流激增 齐纳击穿 当反向电压较大时 强电场直接从共价键中将电子拉出来 形成大量载流子 使反向电流激增 击穿是可逆 掺杂浓度大的二极管容易发生 击穿是可逆 掺杂浓度小的二极管容易发生 不可逆击穿 热击穿 PN结的电流或电压较大 使PN结耗散功率超过极限值 使结温升高 导致PN结过热而烧毁 5 PN结电容 势垒电容CB 当外加电压不同时 耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少 与电容的充放电过程相同 耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容 扩散电容是由多子扩散后 在PN结的另一侧面积累而形成的 因PN结正偏时 由N区扩散到P区的电子 与外电源提供的空穴相复合 形成正向电流 刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近 形成一定的多子浓度梯度分布曲线 5 PN结电容 注意 势垒电容和扩散电容均是非线性电容 并同时存在 外加电压变化缓慢时可以忽略 但是变化较快时不容忽略 扩散电容CD 外加电压不同情况下 P N区少子浓度的分布将发生变化 扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同 这种电容等效为扩散电容 小结 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体 具有一系列特殊的性能 如掺杂 光照和温度都可以改变半导体的导电性能 利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件 PN结是构成半导体器件的基础 具有单向导电性 非线性电阻特性 电容效应 击穿稳压特性 当PN结加正向电压时 PN结导通 呈现低阻特性 当PN结加反向电压时 PN结截止 呈现高阻特性 问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体 导电性能极差 又将其掺杂 改善导电性能 为什么半导体器件的温度稳定性差 是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素 为什么半导