半导体基本知识课件（可编辑）

半导体基本知识课件电路基础与集成电子技术哈尔滨工业大学电子学教研室编蔡惟铮主编齐明于泳副主编2010年03月第2篇模拟电子技术第4章半导体二极管和晶体管第5章基本放大电路第6章集成运算放大器和模拟乘法器单元电路第7章负反馈放大电路第8章集成运算放大器和模拟乘法器线性应用电路第9章集成振荡电路第10章直流电源第4章半导体二极管和晶体管内容提要本章介绍半导体二极管和晶体管的工作原理、特性曲线和参数。这些器件的基础是PN结，为此首先对PN结的形成和特性也给予了必要的介绍。41半导体的基本知识42PN结43半导体二极管44硅稳压二极管及其稳压电路45场效应半导体晶体管46双极型半导体晶体管第4章半导体二极管和晶体管41半导体的基本知识本征半导体杂质半导体本征半导体是化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体的纯度要达到99999999999，常称为“九个9”。在常温下，本征硅的电阻率约为23105CM，本征锗的电阻率约为47CM。制造半导体器件的半导体材料呈单晶体形态。41半导体的基本知识本征半导体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。半导体的电阻率为103109CM。典型的半导体有硅SI和锗GE以及砷化镓GAAS等。是半导体硅单晶体切成的薄片晶圆，用于制作半导体器件。晶圆硅半导体单晶体切片大片直径30CM，中间小片5CM晶圆硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。这种结构的立体和平面示意。图412硅原子空间排列及共价键结构平面示意图A硅晶体的空间排列B共价键结构平面示意图C1本征半导体的共价键结构当温度升高或受到光的照射时，有一部分价电子会挣脱原子核的束缚，成为自由电子，而参与导电。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，呈现出正电性，称呈现正电性的这个空位为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。2电子空穴对本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡，此时NIPI本征激发和复合过程示意图电子和空穴是可以运载电荷的粒子，称为载流子。热或光的作用热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的一部分自由电子有的被空穴俘获，称为复合，。自由电子的定向运动就形成了电子电流。空穴在晶格中的移动空穴的运动方向与电子相反，只是空穴的运动是靠相邻共价键中价电子依次充填空穴来实现的。3空穴的移动在本征半导体中掺入特定的微量三价或五价杂质元素而得到杂质半导体。掺杂可使半导体的导电性发生显著变化。要注意，这里的杂质半导体不是普通意义上的含有多种任意杂质的半导体，掺入杂质后，半导体的晶体结构不变。常用杂质元素有硼、镓、铟、磷等。杂质半导体1N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质可形成N型半导体，也称电子型半导体。N型半导体中掺入的杂质浓度大约是本征激发产生的电子浓度的一百万倍。因五价杂质原子中只有四个价电子能与相邻的四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚很容易成为自由电子。所以，自由电子是多数载流子，简称多子；本征激发形成的空穴则称为少数载流子,简称少子。N型半导体五价杂质原子在失去一个价电子后，带一个电子电荷量的正电荷，成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。正离子固定在晶体中，不能运动。多子和少子。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等就形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，因缺少一个价电子而在共价键中留下一个空位，这个空位很容易俘获周围共价健中的电子，从而使失去电子的共价健形成空穴。P型半导体中，空穴是多数载流子，本征激发产生的电子是少数载流子。三价杂质很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子，三价杂质因而也称为受主杂质。空位2P型半导体P型半导体本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡，此时，半导体中电子和空穴的浓度不变且相等。NIPI3杂质对半导体导电性的影响掺杂对本征半导体的导电性有很大的影响，因为多数载流子的浓度是由掺入的杂质浓度决定的。一般在室温条件下T300K，本征硅的原子浓度为4961022/CM3本征激发产生的自由电子浓度NI和空穴浓度PI为NIPI141010/CM3N型半导体中的自由电子浓度变为N51016/CM3可见，即使在半导体中掺入微量杂质，半导体中载流子的浓度也会显著增加，从而使导电能力明显增强。为便于记忆，以上三个浓度基本上各相差106倍一百万倍。半导体中电子和空穴的浓度与温度有关，在T0K时，NIPI0，半导体成为绝缘体。温度越高