1、第一章 常用 半导体 器件第一章 常用 半导体 器件 1. 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应管 1. 半导体基础知识1.1 本征半导体1.2 杂质半导体1.3 PN结的形成及其单向导电性1.4 PN结的电容效应 何谓半导体？ 导体 绝缘体 半导体 很容易传导电流 几乎不 传导电流 导电能力介于导体和绝缘体之间。 低价元素，如：金、 银、铜、铝。高价元素； 如：惰性气体、橡胶、 云母、塑料等。四价元素，如：硅、锗、 砷化镓（集成电路）等。 半导体特性掺入一定杂质，可改变半导 体导电类型和导电能力掺杂性： 半导体器件温度增加使导电率大为增加热敏性： 热敏器件
2、光照时使导电率大为增加光 敏 性： 光敏 器件1.1 本征半导体 半导体材料Si G eG G GSi： +142 G eG G G ：+484 +32841价电子最外层电子（价电子）都是四个惯性核表示： 惯性核：除价电子外的 内层稳定结构1.1 本征半导体本征半导体是 纯净 的 晶体结构 的半导体。无杂质 稳定的结构在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每 个原子都处在正四面体的中 心，而四个其它原子位于四面 体的顶点， 每个原子周围都有四个相邻的原子。 硅和锗的晶体结构：1.1 本征半导体 本征半导体的晶体结构和共价键 +4+4+4+4 +4 +4+4+4 +4共价键内的电子 称为
3、束缚电子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成 稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 在绝对 0度（ T=0K K K K ）和没有外界激发时 ,价电子完全被共价键束缚着，本征半导 体中 没有可以运动的带电粒子（即载流子）， 它的导电能力为 0，相当于绝缘体。1.1 本征半导体+4+4+4+4 +4 +4+4+4 +4挣脱 共价键的 束缚成为自由电子留下的空位称为空穴 本征半导体中存在数量相等的两种 载流子：随着温度升高，由于热激发，使一些价电子获得足够 的能量而脱离共价键的束 缚，成为自由电子，同时共 价键上留下一个空位，这一 现象称为 本征激发 。自由电子
4、空穴本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。1.1 本征半导体外电场作用下空穴导电过程： 1.1 本征半导体1. 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴它们是成对出现的2.在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流： 自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反空穴流： 价电子递补空穴形成的与外电场方向相同由此可以看出：3.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外 部因素，这是半导体的一大特点。1.1 本征半导体本征半导体中的载流子浓度 由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键
5、的束缚， 成为自由电子，同时共价键上留下 一个空位，这一现象称为 本征激发 。 载流子的复合 : 自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子 和空穴消失称为载流子复合。 动态平衡 : 本征激发产生的自由电子与空穴对与复合掉的自由电子与空穴对数目相等，称载流子处于动态平衡状态。1.1 本征半导体1.1 本征半导体本征半导体中的载流子浓度 简称本征浓度 (ni=pi): 平衡状态下，本征半导体单位体积内的自由电子数（空穴数）。它是温度的敏 感函数。（ 1）相同温度下， Ge的 ni Si的 ni（ 2）常温下本征浓度远小于原子密度。 因此本征半导体的导电能力很差，且与环境温度密切相关。 温度升高
6、，热运动加剧，载流子浓度增大。杂质半导体 P型半导体（也称空穴型半导体）掺入三价元素如硼 B、 Al等N型半导体（也称电子型半导体）掺入五价元素如磷 P、砷 Se等1.2 杂质半导体“掺杂 ”特性， 掺杂后半导体的导电率大为提高。通常掺入 “三价 ”或 “五价 ”元素根据掺杂元素不同1. N 型半导体 (Negative 负）+4+4+4+4 +4 +4+4+4 +455在本征半导体中掺入 少量的五价 元素（如磷）施主电离： 产生 自由电子和正离子对N型半导体 磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共 价键，必定多出一个电子，这个电子 几乎不 受束缚，很容易被激发而成为自由
7、电子 （常温下几乎完全电离） ，这样磷原子就成了不能移动的带正电 的离子。这一现象称为 “施主电离 ”。磷原子称为施主原子。 本征激发：产生 自由电子和空穴对载流子 自由电子 空穴施主电离 本征激发 自由电子和空穴 自由电子和正离子 多数载流子（多子） 少数载流子（少子）电荷模型：+4+4+4+4 +4 +4+4+4 +4551. N 型半导体 (Negative 负） 空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？ +2. P 型半导体（ Positve 正）+4+4+4+4 +4 +4+4+4 +433在本征半导体中掺入 少量的三价 元素（如 硼 ） P 型半导体。硼原子的最外层有三个价电子，
8、与相 邻的半导体原子形成共价键时，产生 一个空位。价电子因热运动很容易来 填补这个空位，使空位转移到半导体 原子上，产生空穴。同时使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。这一 现象称为受主电离。 硼原子称为受主原子。 受主电离： 产生空穴 和负离子对本征激发：产生 自由电子和空穴对受主电离 本征激发 自由电子和空穴 空穴和负离子 载流子 自由电子 空穴 多数载流子（多子） 少数载流子（少子）电荷模型：+4+4+4+4 +4 +4+4+4 +4332. P 型半导体（ Positve 正）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓 度越高，导电性越强，实现 导电性可控 。 +1.3 PN
9、结1、 PN结形成及特点型半导体 N型半导体在同一片半导体基片上，分别制造 P 型半导体和 N 型半导体 ？ 经过载流子的扩散，在它们的 交界面 处就形成了 PN 结 。漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。 漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀，载流子会从浓度高的地方向浓度低的地方作 扩散运动 ，这种因载流子 浓度差 而产生的载流子宏观定向运动形成的电流称为扩散电流。1.3 PN结1、 PN结形成及特点即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散电流也越大。1、
10、 PN结形成及特点P区 N区多子 扩散浓度差 多子的扩散杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内建电场内建电场促使少子漂移， 阻止多子扩散多子扩散和少子漂移， 达到动态平衡离子薄层形成的空间电荷 区称为 PN结空间电荷区， 也称耗尽层。内电场 E少子 漂移扩散的结果是使 空间电荷区逐渐 加宽。空间电荷区越宽， 内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使 空间电荷区变薄。PN结特点 :（ 1） 空间电荷区是非中性区，存在内建电场和内建电位差 Uho（内建电压）。（ 3） PN结又称耗尽层、又称阻挡层（内建电场 E阻止两区多子越结扩散）、又称势垒区。（ 2）对称结和不对称 PN结：P+N结 PN+结
11、1.3 PN结不对称 PN结空间电荷区主要向低掺杂区延伸。2、 PN结的单向导电性正向偏置的 PN结P区的电位高于 区的电位，称外加正向电压，简称正偏；R E内电场P区 N区外电场变薄 内电场被削弱，多子的扩 散加强能够形成较大的扩 散电流。2、 PN结的单向导电性反向偏置的 P结P区的电位低于 N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；R E内电场P区 N区变厚外电场内电场被加强，多子的扩散 受抑制。少子漂移加强，但 少子数量有限，只能形成较 小的反向电流。（ 3）由此可以得出结论： PN结具有单向导电性。 （ 1） PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；（ 2） PN结加反向
12、电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。结论： 2、 PN结的单向导电性 1.3 PN结由半导体物理可推出： PN结的电流方程3. PN结的伏安特性式中 IS 反向饱和电流 UT = kT/q 热电压 T=30k（室温）时UT= 26mVk 波尔兹曼常数 （ 1.3810-23J/K )K K K ；TS(1)uUiIe=u的符号 0u0u正偏： 反偏：只要 u比 UT大几倍，有u的符号 TSuUiIeSiITS(1)uUiIe=3. PN结的伏安特性 1.3 PN结反向击穿特性： 当加在 PN结上的反偏电压超过某一数值时，反偏电流将急剧增大， 这种现象称为 PN结反向击穿。BRU 反向击
13、穿时的电压值称为 反向击穿电压 (BR)U导致二极管出现反向击穿的原因： （ 2）雪崩击穿：（ 1）齐纳击穿： 低掺杂，耗尽层宽，价电子被碰撞电离 高掺杂，耗尽层窄，价电子被场致激发3. PN结的伏安特性 1.3 PN结结论：势垒电容随偏压的增大而增大。势垒电容势垒电容 Cb等效于： d空间电荷区宽度4、 PN 结的电容效应 1.3 PN结 PN结外加电压变化时， 空间电荷区的宽度将发生变化， 有电荷的积累和释放的过程，与电容 的充放电相同，其等效电容称为 势垒电容 Cb。4、 PN 结的电容效应 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时， 在扩散路程中载流子的浓度及其 梯度均有变化， 也有电荷的积累 和释放的过程， 其等效电容称为 扩散电容 Cd。1.3 PN结4、 PN 结的电容效应dbj CCC+=结电容： 由于 Cj的存在，若 PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！1.3 PN结扩散电容随着 PN结正向电流增大而增大PN结反偏时扩散电容为零 扩散电容
