半导体基本知识

1、第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 1.1 半导体基本知识半导体基本知识1.1.1 本征半导体本征半导体1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.1.3 PN结及其特性结及其特性第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 电子系统是由若干基本电路组成的电子系统是由若干基本电路组成的具有特定功能的电路整体。具有特定功能的电路整体。 以模拟信号为研究对象的电路，在以模拟信号为研究对象的电路，在电子系统中称为模拟电路。电子系统中称为模拟电路。 半导体器件是模拟电路中的基本元半导体器件是模拟电路中的基本元件，本章讨论常用的半导体器件。件，本章讨论常用的半导体器件。第第1章章 常用半导体器件常用半导

2、体器件 1.1 半导体基本知识半导体基本知识 自然界中的物质根据其导电能力的不同分为导体、半导体和绝缘体。 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。典型的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)，以及砷化镓(GaAs)等。 半导体具有一些独特的物理特性，利用这些特性可制成电子电路需要的各种不同性能、不同用途的半导体器件。例如二极管、双极型晶体管、场效应晶体管等。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件图1.1和图1.2展示了电子电路中一些常用半导体二极管和半导体晶体管的照片。图1.1 各种半导体二极管的照片 图1.2 各种晶体管的照片第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1.本征半导体的定义本征

3、半导体的定义 本征半导体是化学成分纯净、物理结构完本征半导体是化学成分纯净、物理结构完整的半导体。整的半导体。1.1.1 本征半导体第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 2.2.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 半导体材料硅和锗的原子结构有一个共同点半导体材料硅和锗的原子结构有一个共同点, ,即都是四价元素即都是四价元素, ,其原子的最外层电子数都是其原子的最外层电子数都是4 4个，个，原子的最外层电子称为价电子原子的最外层电子称为价电子, ,如图如图1.31.3（a a）(b)(b)所示。所示。 半导体的导电性能与价电子有关，因此，价半导体的导电性能与价电子有关，因此，价电子

4、是我们要研究的对象。原子的内层电子与原电子是我们要研究的对象。原子的内层电子与原子核构成稳定的惯性核子核构成稳定的惯性核，我们用，我们用+4+4代表惯性核所代表惯性核所具有的电荷量，用图具有的电荷量，用图1.31.3（c c）表示硅或锗的简化）表示硅或锗的简化原子结构模型。原子结构模型。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件4(a)32(b)14惯性核价电子(c)图图 1.3 硅和锗的原子结构模型硅和锗的原子结构模型 (a) 硅；硅； (b) 锗；锗； (c) 原子简化模型原子简化模型第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 硅或锗制成单晶体后，由于晶体中原子之间距硅或锗制成单晶体后，由于晶

5、体中原子之间距离很近，价电子不仅受到其所属原子核的作用，离很近，价电子不仅受到其所属原子核的作用，还受到相邻原子的原子核的吸引，即一个价电还受到相邻原子的原子核的吸引，即一个价电子为相邻的两个原子核所共有。这样，相邻原子为相邻的两个原子核所共有。这样，相邻原子之间通过共有价电子的形式而紧密结合起来，子之间通过共有价电子的形式而紧密结合起来，形成形成“共价键共价键”结构，如图结构，如图1.41.4所示。所示。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件图图1.4 1.4 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 本征半导体晶体原子间的共价键具有很强本征半导体晶体原

6、子间的共价键具有很强的结合力，在绝对零度的结合力，在绝对零度(-237)(-237)时，并且在时，并且在无外界激发的条件下，价电子无法挣脱共价无外界激发的条件下，价电子无法挣脱共价键的束缚，不能自由移动，所以共价键内的键的束缚，不能自由移动，所以共价键内的价电子又叫束缚电子，这样虽然有大量的价价电子又叫束缚电子，这样虽然有大量的价电子，但没有自由电子，此时，半导体不导电子，但没有自由电子，此时，半导体不导电。电。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件3.本征激发与复合 当半导体温度上升或受光照时，价电子以当半导体温度上升或受光照时，价电子以热运动的形式不断从外界获得一定的能量，热运动的形式不

7、断从外界获得一定的能量，使价电子能量增高，有的价电子就可以挣使价电子能量增高，有的价电子就可以挣脱共价键的束缚跑出来，成为自由电子，脱共价键的束缚跑出来，成为自由电子，同时在原来的共价键的相应位置上留下一同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，叫个空位，叫“空穴空穴”，如图，如图1.51.5所示。所示。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件图图1.5 本征激发本征激发第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 空穴空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。 显然显然, ,自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们

8、为电电子子空穴对空穴对。 我们把在光或热的作用下，本征半导体中产生电子我们把在光或热的作用下，本征半导体中产生电子空穴对的现象，叫空穴对的现象，叫本征激发。本征激发。 在热运动过程中自由电子和空穴又可能重新相遇结合在热运动过程中自由电子和空穴又可能重新相遇结合使电子使电子空穴对消失，这一现象称为空穴对消失，这一现象称为复合复合。 本征激发和复合总是存在、同时进行的，在一定温度本征激发和复合总是存在、同时进行的，在一定温度下会达到动态平衡。下会达到动态平衡。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件4.本征半导体的导电机理 我们将可以运动的带电粒子称为载流子。本征激发产我们将可以运动的带电粒子称为

9、载流子。本征激发产生的自由电子将在电场的作用下定向运动形成电流，因生的自由电子将在电场的作用下定向运动形成电流，因此它构成本征半导体中的一种载流子此它构成本征半导体中的一种载流子电子载流子电子载流子。 由于共价键中出现了空位，在外电场或其他能源的由于共价键中出现了空位，在外电场或其他能源的作用下，邻近的价电子就可以填补到这个空穴上，而在作用下，邻近的价电子就可以填补到这个空穴上，而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他价这个价电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他价电子又可以转移到这个新的空位上，如图电子又可以转移到这个新的空位上，如图1.61.6所示。所示。 为了区别于自由电子的

10、运动，我们把这种价电子的为了区别于自由电子的运动，我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动，因此认为填补运动称为空穴运动，因此认为空穴也是一种载流子空穴也是一种载流子，它所带电荷和电子相等，符号相反。它所带电荷和电子相等，符号相反。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件图图1.6 电子与空穴的移动电子与空穴的移动第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 由此可见，本征半导体中存在由此可见，本征半导体中存在两种载流子两种载流子：电子：电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子和空穴。而金属导体中只有一种载流子电子。本电子。本征半导体在外电场作用下，两种载流子的运动方向相征半导体在外电场作用下，两种载

11、流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。反而形成的电流方向相同。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。由于本征激发产半导体中载流子便维持一定的数目。由于本征激发产生的电子生的电子空穴对的数目很少，因此本征半导体的导空穴对的数目很少，因此本征半导体的导电能力很弱。电能力很弱。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素，可使半导体的在本征半导体中掺

12、入某些微量杂质元素，可使半导体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的本征半导体称为杂导电性能发生显著的改变。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。质半导体。1.N1.N型半导体型半导体 在硅（或锗）的晶体内掺入少量五价杂质元素，例如在硅（或锗）的晶体内掺入少量五价杂质元素，例如磷，可形成磷，可形成N N型半导体。如图型半导体。如图1.71.7所示。所示。 在在N N型半导体中自由电子数远大于空穴数，自由电子型半导体中自由电子数远大于空穴数，自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。导电以电子为主，故此类半导体亦称子

13、，由热激发形成。导电以电子为主，故此类半导体亦称为为电子型半导体电子型半导体。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件图图1.7 N型半导体的结构示意图型半导体的结构示意图 提供自由电子的五价杂质原子因失去了一提供自由电子的五价杂质原子因失去了一个价电子而带正电荷，成为正离子，因此五个价电子而带正电荷，成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。价杂质原子也称为施主杂质。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 由于三价杂质原子能获得一个价电子而带负电荷，成为由于三价杂质原子能获得一个价电子而带负电荷，成为负离子，因此三价杂质原子也称为负离子，因此三价杂

14、质原子也称为受主杂质受主杂质。图1.8 P型半导体的结构示意图第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 注意：注意：N N型、型、P P型半导体中的正负电荷数是相等的，它们型半导体中的正负电荷数是相等的，它们的作用互相抵消，因此保持电中性。的作用互相抵消，因此保持电中性。 为突出杂质半导体的主要特征为突出杂质半导体的主要特征, ,在画在画P P型或型或N N型半导体型半导体时时, ,常常只画多子和离子成对出现常常只画多子和离子成对出现, ,如图如图1.91.9所示的简化模所示的简化模型。型。图1.9 半导体结构的简化模型第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件1.1.3 PN结及其特性1. P

15、N1. PN结的形成结的形成 如果在一块本征半导体上的两边掺入不如果在一块本征半导体上的两边掺入不同的杂质，使一边成为同的杂质，使一边成为P P型半导体，另一边成型半导体，另一边成为为N N型半导体，那么在这两种半导体的交界面型半导体，那么在这两种半导体的交界面附近将形成一层很薄的特殊导电层附近将形成一层很薄的特殊导电层PNPN结，结，PNPN结是构成各种半导体器件的基础。结是构成各种半导体器件的基础。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区

16、越宽。渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，离子薄层形成的离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件PN结结电位电位VV0+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区第第1章章 常用半导体器件常

17、用半导体器件2、PN结的单向导电性在PN结两端外加电压,称为给PN结加以偏置电压。 PN结的结的P区接电源正极、区接电源正极、N 区接电源负极，区接电源负极，PN结结称为称为正向偏置。正向偏置。（1）PN结正向偏置结正向偏置第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件变薄变薄+RE内电场内电场外电场外电场PN+_内电场被削弱，多子的扩散加内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。强能够形成较大的扩散电流。PN结呈结呈现低阻性现低阻性第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件（2 2）PNPN结反向偏置结反向偏置 PN结的结的P区接电源负极、区接电源负极、N 区接电源正极，区接电源正极，PN

18、结称为结称为反向偏置。反向偏置。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件变厚变厚内电场被被加强，多子的扩散受内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电量有限，只能形成较小的反向电流。流。+内电场内电场外电场外电场NP+_REPN结呈现结呈现高阻性高阻性第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少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，这上与所加反向电压的大小无关，这

19、个电流也称为个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 PN结加正向电压时，呈现低电结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；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，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 （1） 数学表达式数学表达式其中其中IS 反向饱和电流反向饱和电流UT 温度的电压当量温度的电压当量,室温室温下为下为26mV。3. PN结的伏安特性结的伏安特性 PN

20、结的伏安特性是描述流过结的伏安特性是描述流过PN结的电流与其上结的电流与其上所加电压之间的关系。所加电压之间的关系。) 1(TUvSeIi第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件（2）伏安特性曲线）伏安特性曲线图1.13 PN结的伏安特性曲线第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 当外加电压当外加电压u为正值为正值时，时，PN结正偏，若结正偏，若u比比UT大，满足大，满足 时，时，则近有：则近有： ，即即i随随u按指数规律变化；按指数规律变化；) 1(TUueTUuSeIi 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 当外加电压当外加电压v为负值为负值时，时，PN结反偏，结反偏，此此时时i-I

21、S ，说明反向电流与，说明反向电流与反向电压大小无关。反向电压大小无关。 PN结的反向饱和电结的反向饱和电流流IS一般很小（硅一般很小（硅PN结结的的IS为纳安量级，锗为纳安量级，锗PN结的结的IS为微安量级），所为微安量级），所以以PN结反向特性曲线几结反向特性曲线几乎接近于横坐标。乎接近于横坐标。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 当加到当加到PNPN结上的反向电压超过一定数结上的反向电压超过一定数值后，共价键遭到破坏，使价电子脱离值后，共价键遭到破坏，使价电子脱离共价键束缚，产生电子共价键束缚，产生电子- -空穴对，反向空穴对，反向电流会急剧增加，这种现象称为电流会急剧增加，这种现象称为反向击反向击穿穿。 这时若对电流不加限制，就会造成这时若对电流不加限