第一章常用半导体器件和集成电路中的元件

1、第一章常用半导体器件和集成电路中的元件半导体半导体基础知识基础知识1 什么是半导体什么是半导体2半导体的导电特性半导体的导电特性3半导体的分类半导体的分类4PN结结1.1.什么是半导体什么是半导体(semiconductors)物质的导电性决定于原子结构物质的导电性决定于原子结构导体导体绝缘体绝缘体半导体半导体2.2.半导体的导电特性半导体的导电特性掺杂敏感掺杂敏感 温度敏感温度敏感 光照敏感光照敏感3.3.半导体的分类半导体的分类半导体本征半导体杂质半导体N型半导体P型半导体本征半导体本征半导体 (intrinsic semiconductor)价电子价电子本征半导体的原子结构本征半导体的原

2、子结构立体结构图立体结构图SiSiSiSiSiSiSi平面示意图平面示意图本征半导体本征半导体 ( intrinsic semiconductor )共价键共价键(covalent bond)价电子价电子立体结构图立体结构图本征半导体本征半导体 ( intrinsic semiconductor )SiSiSiSiSiSiSi空穴空穴自由电子自由电子本征激发本征激发复复 合合半导体导电的特殊性质半导体导电的特殊性质 当半导体两端加外加电压，导体中将出现当半导体两端加外加电压，导体中将出现两部分电流两部分电流外电场方向外电场方向SiSiSiSiSiSiSi电子电流电子电流空穴电流空穴电流外电场方

3、向SiSiSiSiSiSiSi空穴电流空穴电流 电子电流电子电流 自由电子和空穴统称自由电子和空穴统称载流子 在半导体中，同时在半导体中，同时存在着电子导电和存在着电子导电和空穴导电半导空穴导电半导体导电的特殊性质体导电的特殊性质 自由电子在自由电子在共价键共价键以外以外运动，运动，空穴空穴在在共价键以内共价键以内运动运动半导体导电的特殊性质半导体导电的特殊性质3(2)21GOEkTiinpK T e本征半导体中载流子的浓度本征半导体中载流子的浓度在一定温度下，本征激发和复合达到动态平衡，在一定温度下，本征激发和复合达到动态平衡，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由本征半导体中载流子的浓

4、度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。电子与空穴的浓度相等。 K K1 1 与材料有关的常数与材料有关的常数 E EGO GO 禁带宽度禁带宽度 T T 热力学温度，绝对温度热力学温度，绝对温度 k k 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 本征半导体本征半导体中电子的浓度中电子的浓度空穴浓度空穴浓度: :表示单位体积的空穴数表示单位体积的空穴数 ( p( pi i ) )电子浓度电子浓度: :表示单位体积的自由电子数（表示单位体积的自由电子数（n ni i）当材料一定时：当材料一定时：载流子的浓度主要取决于温度；载流子的浓度主要取决于温度；温度增加使导电能力激增。温度增加使导电能力激增。且温度可人为

5、控制且温度可人为控制 。本征半导体本征半导体中空穴的浓度中空穴的浓度价带、禁带、导带自由电子自由电子导带导带禁带禁带EGO价带价带空穴空穴载流子的能带图载流子的能带图价电子价电子能量能量几种不同材料的能带图能能 量量导带导带禁带禁带价带价带能能 量量导带导带禁带禁带价带价带导带导带价带价带导带导带禁带禁带价带价带1.21 eV0.785 eV0.01 eV（绝缘体）（绝缘体）（硅）（硅）（锗）（锗）（导体）（导体） 半导体中有电子和空穴两种载流半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电子参与导电 本征半导体导电能力弱，并与温本征半导体导电能力弱，并与温度有关度有关本征半导体结论本征半导体结论 本征

6、半导体中电子空穴成对出现，本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少且数量少 SiSiSiSiSiSiSiPN 型半导体杂质半导体杂质半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷N型半导体SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子多余价电子杂质半导体杂质半导体+ +在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷 自由电子是多数载子，空穴是少数载流子自由电子是多数载子，空穴是少数载流子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子提供一个提供一个电子电离电子电离为正离子为正离子 施主原子施主原子SiSiSiSiSiSiSiBP型半导体杂质半导体杂质半导体在硅或锗的

7、晶体中掺入三价元素硼在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼SiSiSiSiSiSiSiB空位空位B空穴空穴-P型半导体杂质半导体杂质半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼空穴成为多数载流子，电子是少数载流子空穴成为多数载流子，电子是少数载流子 接受一个接受一个电子电离电子电离为负离子为负离子 受主原子受主原子三、三、P P 型、型、N N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子P型型N型型无论无论N N型或型或P P型半型半导体都是中性的导体都是中性的PNPN结结1 PN

8、结的形成结的形成2PN结的单向导电特性结的单向导电特性3PN结的电流方程结的电流方程4PN结的伏安特性结的伏安特性5PN结的电容效应结的电容效应多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运动越强，漂移结果使空动越强，漂移结果使空间电荷区变窄间电荷区变窄 扩散的结果使扩散的结果使空间电荷区变宽空间电荷区变宽 扩散和漂扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到动态平衡，到动态平衡，形成形成PNPN结结+形成空间电荷区形成空间电荷区PN PN 结的形成结的形成(

9、(PN Junction) )1. PN1. PN结加正向电压（正向偏置）结加正向电压（正向偏置）PN PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IFPNPN结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结处于导通状态；结处于导通状态；PNPN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小。结变窄，正向电流较大，正向电阻较小。内电场内电场PN+二、二、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性+2. PN 2. PN 结加反向电压（反向偏置）结加反向电压（反向偏置） P P接负、接负、N N接正接正 +PN PN 结变宽结变宽2. PN 2. PN 结加反向电压（反向偏置）结加反向电压（反向偏置）

10、IS P P接负、接负、N N接正接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。PNPN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大。结变宽，反向电流较小，反向电阻较大。正偏导通，呈小电阻，电流较大正偏导通，呈小电阻，电流较大; ;反偏截止，电阻很大，电流近似为零反偏截止，电阻很大，电流近似为零二、二、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性P 区区N 区区N区区P区区三、三、PN PN 结的电流方程结的电流方程/S(e1)Tu UiIqkTUT 当当 T = 300K

11、( (室温室温27 C) )时时UT = 26 mV23019)1.38 10(273t()(1.6 10;(JkKTCqC C（玻尔兹曼常数开氏温标）电子的电量）库仑）四、四、PNPN结伏安特性结伏安特性) 1(/TuuseIiiuUBR五、五、 PNPN结的电容效应结的电容效应 1. 1.势垒电容势垒电容C Cb b2.2.扩散电容扩散电容C Cd d 五、五、 PNPN结的电容效应结的电容效应 扩散电容示意图PN结结电容结结电容 Cj=Cb+Cd1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管结构类型和符号结构类型和符号伏安特性及温度的影响伏安特性及温度的影响主要参数主要参数二极管的等效电路二极

12、管的等效电路稳压二极管稳压二极管其他类型二极管其他类型二极管1.2.3 1.2.3 1.2.5 1.2.5 1.2.6 1.2.6 半导体二极管图片点接触型点接触型阳极阳极引线引线金属丝金属丝N 型锗片型锗片外壳外壳阴极阴极引线引线阴极引线阴极引线 面接触型面接触型N型硅型硅PN 结结 阳极引线阳极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金1.2.1 1.2.1 结构类型和符号结构类型和符号集成电路中平面型集成电路中平面型anode阴极阴极cathode阳极阳极IS 反向饱和电流反向饱和电流UT =kT/q 温度电压当量温度电压当量UT=26 mV 室温室温27摄氏度摄氏度 TS(e1)

13、DuUDiI1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线OuD /ViD /mA正向特性正向特性反向特性反向特性ISU (BR)反向击穿反向击穿OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uon反向特性反向特性U (BR)反向击穿反向击穿1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性实际二极管的伏安特性实际二极管的伏安特性1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响由二极管的电流由二极管的电流方程方程TS(e1)DuUDiI结论：温度会影响二极管中的电流结论：温度会影响二极管中的电流 反向饱和电流反向饱和电流IS也和温度

14、有关，且其敏感性高于也和温度有关，且其敏感性高于UT 一一 般情况下，温度每升高般情况下，温度每升高10摄氏度，摄氏度，IS值增加一倍。值增加一倍。 温度电压当量就由温度决定。温度电压当量就由温度决定。020pAVCC0例：硅二极管在时的反向饱和电流是0.1。 求在正向偏置电压为0.55 时的电流。 求当其他条件不变温度升高到100时的电流值。1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响温度升高：正向特性曲线左移，反向特性曲线下移温度升高：正向特性曲线左移，反向特性曲线下移1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性温度对二极管伏安特性的影响温度对二