第1章—01半导体基础知识ppt课件

1、模拟电子技术基础第第1 1章章 常用半导体器件常用半导体器件电子系 2019年9月Electronic Department Sep. 2019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？第一章第一章. .常用半导体器件常用半导体器件1.11.1、半导体的基础知识、半导体的基础知识1.21.2、半导体二极管、半导体二极管1.31.3、晶体三极管、晶体三极管1.41.4、场效应管、场效应管第一

2、章第一章 常用半导体器件常用半导体器件一、半导体特性一、半导体特性二、本征半导体二、本征半导体三、杂质半导体三、杂质半导体四、四、PN结结1.1. 1.1. 半导体基础知识半导体基础知识 什么是半导体？什么是半导体？导导 体体: 导电率为导电率为105s-1105s-1，量级，如金属。（，量级，如金属。（S:S:西门子西门子) )绝缘体绝缘体: 导电率为导电率为10-2210-2210-14 s-110-14 s-1量级，如：橡胶、云量级，如：橡胶、云母、塑料，母、塑料，He,Ne,Ar,Ke,Xe,RnHe,Ne,Ar,Ke,Xe,Rn等惰性气体。等惰性气体。导电能力介于导体和绝缘体之间。如

3、：硅导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅1414、锗、锗3232、砷化镓等。砷化镓等。半导体半导体: 半导体特性半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加温度特性温度特性热敏器件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不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光照特性光敏器件光敏器件光电器件光电器件一、半导体特性一、半导体特性本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：纯度：99.9999999%99.9999999%，“九个九个9

4、 9”它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体常用的本征半导体+4晶体特征晶体特征 在晶体中，质点的排列有一定的规律。在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅锗的原子硅锗的原子结构简化模型结构简化模型价电子价电子正离子正离子留意：为了方便，留意：为了方便，原子结构常用二维原子结构常用二维结构描述，实际上结构描述，实际上是三维结构。是三维结构。锗晶体的共价键结构示意图锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带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价带中留下的空位称为空穴导带导带自由电子定向移动自由电子定向移动形成电子流形成电子流 本征半导体的原子结构和共价键

5、本征半导体的原子结构和共价键共价键内的电子共价键内的电子称为束缚电子称为束缚电子价带价带禁带禁带EG外电场外电场E束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流定向移动形成空穴流挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子称为自由电子称为自由电子1. 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴它们是成对出现的它们是成对出现的2. 在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流自由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的方向与外电场方向相反方向与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动自由电子始终在导带内运

6、动空穴流空穴流价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的方向与外电场方向相同方向与外电场方向相同始终在价带内运动始终在价带内运动3. 留意：本征半导体在热力学零度留意：本征半导体在热力学零度0K和没有外界能量激和没有外界能量激发下，晶体内无自由电子，不导电。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。载流子概念：运载电荷的粒子。 本征半导体的载流子的浓度本征半导体的载流子的浓度电子浓度电子浓度 ni : ni :表示单位体积内的自由电子数表示单位体积内的自由电子数空穴浓度空穴浓度 pi : pi :表示单位体积内的空穴数。表示单位体积内的空穴数。G03/2k2iioETnpA T

7、 e A0 与材料有关的常数与材料有关的常数EG0 禁带宽度禁带宽度T 绝对温度绝对温度k 玻尔曼常数玻尔曼常数结论结论1. 本征半导体中本征半导体中 电子浓度电子浓度ni = 空穴浓度空穴浓度pi 2. 载流子的浓度与载流子的浓度与T、EG0有关有关 载流子的产生与复载流子的产生与复合合g载流子的产生率载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R载流子的复合率载流子的复合率 即每秒成对复合的电子空穴的浓度。即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时当达到动态平衡时 g=R R = r nipi 其中其中r复合系数，与材料有关。复合系数，与材料有关。

8、杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。掺杂后半导体的导电率大为提高。 掺入的三价元素如掺入的三价元素如B硼）、硼）、Al铝）铝）等，形成等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。型半导体，也称空穴型半导体。 掺入的五价元素如掺入的五价元素如P磷）磷） 、砷等，、砷等，形成形成N型半导体，也称电子型半导体。型半导体，也称电子型半导体。 N型半导体型半导体在本征半导体中掺入的五价元素，如在本征半导体中掺入的五价元素，如P。价带价带导带导带+施主施主能级能级自由电子是多子即多数载流子）自由电子是多子即多数载流子）空穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质

9、原子提供由热激发形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。带正电荷成为正离子。自由电子是多子即多数载流子）自由电子是多子即多数载流子）空穴是少子空穴是少子问题：与本征半导体相比，问题：与本征半导体相比，N型半导体中空穴多了？型半导体中空穴多了？还是少了？还是少了？ N型半导体型半导体举例：锗原子密度为举例：锗原子密度为4.41022/cm3 ，锗本征半导，锗本征半导ni=2.51013/cm3，若每，若每104个锗原子中掺入个锗原子中掺入1个磷原子掺个磷

10、原子掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-44.41022=4.41018/cm3个砷原子。个砷原子。 则施主杂质浓度为：则施主杂质浓度为： ND= 4.41018/cm3 （比（比ni大十万倍）大十万倍）杂质半导体小结：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。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），故使导电载流子的浓度主要取决于多子即杂质），故使导电能力激增能力激增 。半导体的掺杂、温度等可人为控制。半导

11、体的掺杂、温度等可人为控制。 P型半导体型半导体在本征半导体中掺入的三价元素如在本征半导体中掺入的三价元素如 B。价带价带导带导带-受主受主能级能级自由电子是少子自由电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成因留下的空穴很容易俘获因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质离子。三价杂质 因而也因而也称为受主杂质。称为受主杂质。杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度N型半导体：施主杂质的浓度型半导体：施主杂质的浓度ND n 表示总电子的浓度表示总电子的浓度 p 表示空穴的浓度表示空穴的浓度n =p+ND ND施主杂质

12、的浓度施主杂质的浓度p）P型半导体：型半导体： NA表示受主杂质的浓度表示受主杂质的浓度 ， n 表示电子的浓度表示电子的浓度 p 表示总空穴的浓度表示总空穴的浓度p= n+ NA NA （受主杂质的浓度（受主杂质的浓度n） 阐明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数阐明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不保持不变。在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数。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的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓

13、度小得多，但两者乘积保持不变。得多，但两者乘积保持不变。其中：其中：ni 表示本征材料中电子的浓度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。表示本征材料中空穴的浓度。n p = ni pi = ni2=C1、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P区区N区区扩散运动扩散运动载流子从浓度大向浓度小载流子从浓度大向浓度小的区域扩散的区域扩散,称扩散运动称扩散运动形成的电流成为扩散电流形成的电流成为扩散电流内电场内电场内电场阻碍多子向对方的扩散内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移同时促进少子向对

14、方漂移即促进了漂移运动即促进了漂移运动扩散运动扩散运动=漂移运动时漂移运动时达到动态平衡达到动态平衡耗尽层耗尽层PN结结P区区N区区空穴空穴自由电子自由电子负电荷负电荷正电荷正电荷内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散多子从浓度大向浓度小的区域扩散, 称扩散运动。称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。扩散运动产生扩散电流。漂移运动漂移运动少子向对方漂移少子向对方漂移,称漂移运动。称漂移运动。

15、漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 = = 漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流结内总电流=0=0。PN PN 结结稳定的空间电荷区稳定的空间电荷区，又称高阻区，又称高阻区 ，也称耗尽层。，也称耗尽层。P区区N区区 U 内电场内电场 的建立，使的建立，使PN结中产生结中产生了电位差了电位差 ，从而形成接触电位，从而形成接触电位U 。接触电位接触电位U U决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度硅：硅： U U=0.6=0.60.7 V0.7 V锗：锗： U U=0.2=0.20.3 V0.3 V1. PN1. PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压

16、时的导电情况 原理：外电场方向与原理：外电场方向与PNPN结内电场方向相反，削弱结内电场方向相反，削弱了内电场。了内电场。 于是内电场对多子扩于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。电流加大。 扩散电流远大于漂移扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的电流，可忽略漂移电流的影响。影响。P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内内外外结论：结论：PNPN结正偏时，呈现低阻性。结正偏时，呈现低阻性。2. PN2. PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况原理：外电场与原理：外电场与PNPN结内电

17、场结内电场方向相同，增强内电场。方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。用下形成的漂移电流加大。 此时此时PNPN结区少子漂结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。略扩散电流。P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。区的电位，称为加反向电压，简称反偏。内内外外结论：结论：PNPN结反偏时，呈现高阻性，结反偏时，呈现高阻性，近似为截止状态。近似为截止状态。结论是：结论是：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性

18、。小结：小结： PN结加正向电压时，呈结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向现低电阻，具有较大的正向扩散电流；扩散电流； PN结加反向电压时，呈结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向现高电阻，具有很小的反向漂移电流。漂移电流。问题：有必要问题：有必要加电阻加电阻R吗？吗？PN结两端的电压与结两端的电压与流过流过PN结电流的关系式结电流的关系式式中式中 Is 饱和电流饱和电流; UT = kT/q 等效电压等效电压 k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；q为电子的电量；为电子的电量； T=300k室温时室温时 UT= 26mv由半导体物理可推出：由半导体物理可推出：1)(TSUUeII3. P

19、N3. PN结电流方程结电流方程1)(TSUUeII当加反向电压时：当加反向电压时：当加正向电压时：当加正向电压时：(UUT)TSUUeII SII 结电流方程结电流方程IU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。流激增的现象。雪崩击穿雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在当反向电压增高时，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。成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿齐纳击穿当反向电压较

20、大时，强电场直接从共价键中将电当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子子拉出来，形成大量载流子, ,使反向电流激增。使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生。大的二极管容易发生。击穿是可逆。掺杂浓度击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生。小的二极管容易发生。不可逆击穿不可逆击穿 热击穿。热击穿。 PN结的电流或电压较大，使结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致升高，导致PN结过热而烧毁。结过热而烧毁。 势垒电容势垒电容CB 当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增当外加电压不

21、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。等效的电容为势垒电容。 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而结的另一侧面积累而形成的。因形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子，与外电区的电子，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堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。分布曲线。留

22、意：势垒电容和扩散电留意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容容均是非线性电容, ,并同时并同时存在。外加电压变化缓慢时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。不容忽略。 扩散电容扩散电容CD 外加电压不同情况下，外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩程相同，这种电容等效为扩散电容。散电容。小小 结结 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物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。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、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