第02章半导体器件的特性

1、2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.1、第二章：半导体老虎钳的特性、本章内容： 2.1半导体基本知识2.2PN结电容和二极管2.3双极晶体管、2020/7/7、 school of physics Peking university，第二章no.2，2.1半导体的基本知识，另一方面，半导体(semiconductors )是指根据物体的电传导能力(电阻率)，将物体称为导体、绝缘体、硅、锗、纯水、硬玻璃、橡胶、云母、灰水晶、绝缘体、半导体、导体、半导体的电阻率在10-3106之间。2020/7/7、School of Physic

2、s、Peking University、第二章No.3、由于半导体的导电机理与其他物质不同，所以具有与其他物质不同的特点： 1、受到外部的热和光的作用，半导体的导电能力发生显着变化(光电阻、传感器) 常见的半导体有硅、锗、-族化合物(GaN、GaAs等)、族化合物(硫化物、氧化物等)等，目前硅半导体产品约占半导体市场整体的95%。 2、如果在纯粹的半导体中混入微量的杂质，其导电能力将显着增加。2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.4、第二、共价键结构、以最常见的半导体硅和锗为例，其最外层的电子(即价电子、情人节)都是四个。 价格电

3、子，1，本征半导体(intrinsic semiconductor )，2020/7/7，School of Physics，Peking University，第二章No.5，能够通过一定的工艺使半导体结晶化。 在硅和锗的本征半导体中，各个原子和与其相邻的原子之间形成共价键，共享一对价电子。 共价键共享电子对，形成共价键，每个原子最外层的电子为8个，构成了稳定的结构。 共价键内的两个电子被称为束缚电子(bonded electron )。 完全纯粹、结构完整的半导体晶体叫做本征半导体。2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.6、对

4、共价键有较强的键合力，使原子有序排列，形成晶体。 共价键正四面体，键之间的角度10928 :各原子在四面体片的中心，其他四个原子在四面体片的顶点。 空间利用率约为3.4，杂质粒子在晶体内运动容易在体内共存，也为置换杂质的扩散运动提供了一盏茶条件。2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.7、绝对零点(即T=0K )和没有外界激励(光、电磁辐射)时，共价键中的价电子被束缚，在本征半导体内没有可自由移动的粒子电荷载体的情况下，半导体是绝缘体束缚电子、自由电子、空穴在室温(300K )下，通过热激发，几个价电子获得一盏茶的能量从共价键的束缚

5、中释放，成为自由电子(free electron )的现象称为本征激发(intrinsic excitation )。 当价电子变成自由电子时，共价键会残留空穴，将该空穴称为空穴(hole )。 空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。 在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现(称为电子空穴对)。 因此，任何时候本征半导体中的自由电子和空穴数都是相等的。2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.8、本征半导体的导电(电子空穴对导电)、半导体导电的特殊性： 2种载流子参与导电。 外电场e，自由电子导电：形成电子电流，空穴导电：形成空穴

6、电流，自由电子电流和空穴电流之和是半导体中的电流(符号相反，电流方向相同)。 空穴(可以看作带正电的粒子)的运动是通过邻接的共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。、2020/7/7、物理寿命、封装统一、第二章No.9、本征半导体载流子浓度：电子浓度、空穴浓度，式中，a是与材料有关的系数，t是绝对温度，k是玻尔兹曼常数，EG是禁带宽度(eV )，零度时切断共价键T=300K时，本征硅的电子和空穴浓度为：本征半导体中存在2种载流子，但由于本征载流子的浓度低(本征硅的原子浓度为51022/cm3 )，因此总导电能力差(电阻率为104cm )。 本征载流子的浓度对温度很敏感。 然后随着温度的升高，基本

7、上指数规律地增加。 如果在negative，positive，2020/7/7，School of Physics，Peking University，第二章no.1.0，2，doped semiconductor，本征半导体中混入微量杂质，则半导体的导电性能会发生显着变化这是因为掺杂了半导体的某载流子(电子、空穴)的浓度大幅增加。 为了尽可能维持半导体原有的晶体结构，混入的杂质主要是微量的价电子数相近的三价或五价元素体。 n型半导体：掺杂磷、锑等5价杂质元素体，主要载流子是电子，也称为电子型半导体； p型半导体：导入3价杂质元素体(如硼、铟)，主要载流子为空穴，也被称为空穴型半导体。2020

8、/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.11、n型半导体，在硅或锗结晶中添加少量的五价元素体磷(或锑)，在磷原子的最外层取代晶格中的某半导体原子其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，多馀的一个价电子形成因没有共价键的束缚而容易被激发的自由电子。 n型半导体中自由电子是多数载流子，其主要由杂质原子供给； 空穴是少数载流子，是由热激发形成的。 供给自由电子的5价杂质原子带有正电荷，成为不能移动的正络离子，因此5价杂质原子也被称为施主杂质。 多馀电子、n型半导体表现法、2020/7/7、School of Physics、Peking Unive

9、rsity、第二章No.12、p型半导体是在硅或锗结晶中添加少量的三价元素体硼(或铟)，置换为晶格中的某半导体原子， 硼原子的最外层只有三个价电子，与邻接的半导体原子共价键合形成空穴，该空穴吸引周围的束缚电子进行填充，在其他半导体原子上容易形成空穴。 p型半导体中空穴是多个载流子，主要由杂质原子供给； 自由电子是少数载流子，由热激发形成。 束缚电子的三价杂质原子成为带负电荷不能移动的还原离子，因此三价杂质原子也被称为受主杂质。 空穴、p型半导体表现法、2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.13、p型半导体、n型半导体，一般的浓度为

10、1014/cm31018/cm3，常温下，这些个的粒子激发载流子即，由于半导体中的载流子浓度与杂质粒子浓度(远高于本征半导体载流子浓度1010/cm3 )相等，所以掺杂大头针能够大幅增强半导体的导电能力。2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.14、一、PN结电容、一、PN结电容的形成，通过向一个本征半导体的两侧扩散不同的杂质，分别形成n型半导体和p型半导体。 此时，在n型半导体与p型半导体的接合面附近，由于多个载流子相互扩散而结合，因此形成了由被称为PN结电容的薄的(nmm )带电络离子构成的空间电荷区域。 由于该区域没有载流子，

11、因此也被称为耗尽层(depletion layer )，电阻率非常高。2.2PN结电容和二极管、2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.15、p型半导体、n型半导体、(由载流子浓度差引起)、PN结电容中的载流子运动(由内电场引起)、扩散运动的结果，空间电荷区域扩大，空间电荷区域内电场越强漂移运动越强，漂移使空间电荷区域变薄。 扩散和漂移这一相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区域之间没有电荷运动，即空间电荷区域的厚度一定。2020/7/7、物理寿命、打包通用、第二章编号、1.6、 2、2、当施加电压使PN结电容中的p区域的电位高于

12、n区域的电位时，PN结电容的单方面导电性被称为顺向电压(forward bias )，简称为正偏置，相反地称为反偏置、e、r、n区、p区、内电场、外电场，(1) PN结电容的顺方向偏压，顺方向电流，PN结电容的顺方向偏压的情况下，施加电场与内电场的反方向，把内电场的作用抵消，把PN结电容变薄。 此时，扩散运动大于漂移运动，产生扩散电流。 由于扩散电流是由很多载流子形成的，因此电流很大。 在2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.17、e、r、n区、p区、内电场、外电场、(2) PN结电容反偏压、PN结电容反偏压的情况下，施加电场和内

13、电场方向相同，PN结电容变厚此时，扩散运动有停止的倾向，在PN结电容内存在微小的漂移运动，发生漂移电流。 因为漂移电流由少数载流子构成，所以电流很小。 反向电流、PN结电容的单向式导电性：对PN结电容施加顺向电压时，呈现低电阻，对具有大正向扩散电流的PN结电容施加反向电压时，呈现高电阻，具有小反向漂移电流。 (3) PN结电容的伏安图特性(V-A characterIstics )，PN结电容的伏安图特性：式中is为逆饱和电流，UT为温度的电压当量， 也就是说，k是玻尔兹曼常数，q是电子电量逆饱和电流Is :逆方向电流是由少数载流子形成的，但是由于少数载流子的数量很少，所以即使全部参与导电，也

14、只产生微弱的电流(a级)。 (电压最佳化)，(反转统计目前)，2020/7/7，比例，封装通用，第二章，第三章，PN结电容的反此时的电压称为逆耐压UBR。UBR、热破坏：不可逆的过程，即过热烧毁； 电击穿：在可逆过程中，可以像稳定的压力管一样利用。 雪崩击穿：道氏大头针浓度低、PN结电容厚时多发生，所需反向击穿电压大，电子在运动时可获得大动能，与原子碰撞时激发电子空穴对，可达到倍增效果的吉纳击穿：道氏大头针浓度高、PN结电容薄的情况较多2.0，第二章，第四章，PN结电容的电容效应，(1)势垒电容CB，在PN结电容反向偏置的情况下，则为2020/7/7、School of Physics、Pek

15、ing University 势垒容量与平行板电容器相似。 结面积、PN结电容宽度、反向偏压的PN结电容经常被用作电压控制可变电容器。 (电容效果)、(barrier电容)、2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.21、(2)在扩散电容CD、电流、PN结电容为正偏置的情况下，多子的扩散当施加电压发生变化时，浓度梯度发生变化，也就是说，蓄积的电荷量发生变化，形成电容效应，被称为扩散电容。 PN结电容容量为上述两者之和，也就是说，通常CJ为pf量级。在(diffusion capacitance )、2020/7/7、School of

16、 Physics、Peking University、第二章no.2.2、1、1、结构工艺、PN结电容中加入引线和封装后，形成结晶二极管。 二极管根据结构的不同，可分为接触型、面接触型和平面型3种。 (1)点接触型二极管，将含有镓的金属联系性压在锗结晶上，在正方向流过大的瞬间电流，使联系性和半导体融合，形成PN结电容。 点接触型二极管的示意图，特点：PN结电容面积小，结电容小。 适用于检波和变频器等射频波电路。 二、结晶二极管(semiconductor diode )、2020/7/7、School of Physics、Peking University、第二章No.23、(2)面接触型二极管、(3)平面型二极管、合金法(铝合金波) 特点：PN结电容面积大，结电容大，能流通大电流。 适用于整流等商用频率电路。 使用IC集成电路生产工艺生产，基本取代面接触型二极管。 特点：PN