1、第 一 章 半导体器件概述第章1.1 PN结及二极管1.2 半导 体 三极 管体管1.3 半导体场效应管1.4 集成运算放大器2012-2-26 11.1 PN结及 二 极管极管1.1.1 半导体及PN结1.1.2 二极管的基本特性1.1.3 二 极管的主要参数及电路模型极管的主要参数及电路模型1.1.4 特殊二极管根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体 绝缘体和半导体体 、 绝缘体和半导体 。半导体的电阻率为10-3109 。典型的半导体有 硅 Si和 锗 Ge以及 砷化镓 GaAs等。特点 :导电能力可控 (受控于光 、 热 、 杂质等 )2012-2-26 2导电能力可控 受控于光
2、 热 杂质等1 1 1 半导体及 PN结. . 半导体及 结1.本征半导体(1)本征半导体的共价键结构( )电子空穴对本征半导体2 电子空穴对(3)空穴的移动本征半导体 化学成分纯净的半导体本征半导体 化学成分纯净的半导体 。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个 9”。它在物理结构上呈单晶体形态 。2012-2-26 3它在物理结构上呈单晶体形态 。(1）本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为 价电子 。它们分别与周围的四个原子的价电子形成 共价键 。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排有序 体列
3、 有序 的晶 体 。这种结构的立体和平面示意图见图 01.01。()硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图(c)2012-2-26 4图 01.01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a) 硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图（ 2） 电子空穴对（ ） 电子空穴对当导体处于热力学温度 0K时，导体中没有自由电子 当温度升高或受到光的照射。时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为 自由， ，电子 。象称为 本 也称 热自由电子产 生 的同时 ， 在其原来的共价这一现 象称为 本 征激发 ， 也称 热 激发 。自由电子产 的同时 在其原来的共价键中就出现了
4、一个空位，原子的电中性被破坏 ， 呈现出正电性 ， 其正电量与电子的负电坏 ， 呈现出正电性 ， 其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 。2012-2-26 5图 01.02 本征激发和复合的过程 （ 动画 1-1）可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为 电子空穴对 。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为 复合，如图 01.02所示。2012-2-26 6本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。(3) 空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流 空穴的定向，运动也可形成空穴电流 它们的方向，相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次
5、充填空穴来实现图 空穴在晶格中的移动的。见图01.03的动画演示（ 动画 1-2）图 01.03 空穴在晶格中的移动2012-2-26 7动画演示 。2. 杂质半导体(1) N型半导体(2) P型半导体() 型半导体(3) 杂质对半导体导电性的影响在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化 。 掺 入 的杂质 主 要是 三 价或 五 价元素 。化 掺 的杂质 要是 价或 价元素掺入杂质的本征半导体称为 杂质半导体 。2012-2-26 8(1） 型半导体） N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体 ,也称 电子型半导体 。因五价杂质原子中
6、只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子图 型半导体结构示意图因无共价键束缚而很容易形成自由电子 。在 N型半导体中 自由 电子浓度大于 空穴浓度， 称图 01.04 N型半导体结构示意图为多数载流子 ,它主要由 杂质原子提供 ； 空穴称为少数载流子 , 由热激发形成 。载流子 由热激发形成提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子 ， 因此五价杂质原子也称为 施主杂质 。2012-2-26 9正离子 ， 因此五价杂质原子也称为 施主杂质 。(2) 型半导体 P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成
7、了 P型半导体 ， 也称为 空穴型半导体 。因原子在与硅原子形成共价键时 缺少 一 个价电子因原子在与硅原子形成共价键时 ， 缺少 个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中 空穴是多数载流子 ， 主要由掺杂形成；图01.05 P型半导体的结构示意图电子是少数载流子， 由热激发形成。空穴很容易俘获电子 使杂质原子成为 负离子 三空穴很容易俘获电子 ， 使杂质原子成为 负离子 。 三价杂质因而也称为 受主杂质 。2012-2-26 10()杂质对半导体导电性的影响(3) 杂质对半导体导电性的影响掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下
8、 :T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n = p =1.4 1010/cm312掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度 :n=5 1016/cm3本征硅的原子浓度: 4.96 1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3。2012-2-26 113. PN结(1) PN结的形成(2) PN结的单向导电性 PN结的单向导电性(3) PN结的伏安特性 PN结的伏安特性(4) PN结的电容效应 PN结的电容效应2012-2-26 12内电场越强 漂移运(1) PN结的形成少子的漂移运动，动越强，而漂移使空间电荷区变薄。结的形成内电场P 型半导体 N 型半导体扩散和漂移这 一
9、 对相反的这 一+ 对相反的运动最终达到动态平衡，空 + + + + 多子的扩散运动浓度差间电荷区的厚度固定不变。 + + + + 扩散的结果使空间电荷区也称 PN 结形成空间电荷区2012-2-26 13空间电荷区变宽。结在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成 N型半导体和 P型半导体。此时将在 N型半导体和 P型半导体的结合面上形成如下物理过程 :导体和 型半导体的结合面上形成如下物理过程因浓度差多子的扩散运动 由杂质离子 形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散2012-2-26 14最后 多子的 扩散 和少子的 漂移 达到 动态平衡 对最后 ,
10、多子的 扩散 和少子的 漂移 达到 动态平衡 。 对 于P型半导体和 N型半导体结合面，离子薄层形成的离子薄层形成的空间电荷区 称为PN结 。 在空间电结 。 在空间电荷区，由于缺少多子 所以也称多子 ， 所以也称耗尽层 。图 01.06 PN结的形成过程（ 动画 1 3）2012-2-26 15（ 动画 - ）两种载流子的两种运动动态平衡时动态平衡时形成 PN结两种运动：扩散（浓度差） 漂移（电场力）PN结 =空间电荷区 =耗尽层 =内电场=电阻2012-2-26 16(2) PN结的单向导电性1) PN 结加正向电压 （正向偏置）PN 结变窄P接正、 N接负内电场被+ + +削弱，多子的扩
11、散加强+外电场I，形成较大的扩散电流内电场PNF。+PN 结加正向电压时， PN结变窄，正向电流较大 ， 正向电阻较小 ，大 ， ， PN结处于导通状态 。2012-2-26 17大 ， ，大 ， ， 。2. PN 结加 反 向 电压反 向 （反 向偏 置）P接负 、 N接正向、+ + + + + + + + +内电场P N+ + + + +外电场 +2012-2-26 182. PN 结加 反 向 电压反 向 （反 向偏 置）P接负 、 N接正PN 结变宽向、+ + + + +内电场被加强，少子的漂移加强 由于+ + + + +，少子数量很少，形成很小的反内电场P N+ + + + +外电场
12、向电流。IR +PN 结加反向电压时 ， PN结变宽 ， 反向电流较小 ， ，温度越高少子的数目越多 ， 反向电流将随温度增加 。， 。反向电阻较大， PN结处于截止状态。2012-2-26 19，PN结具有单向导电性 ，若外加电压使电流从 P区流到 N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性 ， 电流小 。如果外加电压使 PN结中：高阻性 ， 电流小 。P区的电位高于 N区的电位，称为加 正向电压 ，简称 正偏 ；简称 正偏 ；P区的电位低于 N区的电位，称为加 反向电压 ，简称 反偏 。2012-2-26 20PN结正偏时 导通PN结加 正 向电压时的导电情况如图 01.07所示 。
13、外加的正向电压有一 部分降落在 PN结区 ，结加 向电压时的导电情况如图 所示部分降落在 结区 ，方向与 PN结内电场方向相反 ， 削弱了内电场 。相反 ， 。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 ， 扩散运动的阻碍减弱 ， 扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流 ， 可忽略大于漂移电流 ， 可忽略漂移电流的影响， PN结呈现低阻性 。图01.07 PN结加正向电压时的导电情况2012-2-26 21呈现低阻性 。（动画 1-4）结反偏时 截止PN PN结加反向电压时的导电情况如图 01.08所示。外加的反向电压有一部分降落在 PN结区，方向与PN结内电场方向相同 ， 加强了内电场 。 内电场对
14、多子结内电场方向相同 ， 。 内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小 此时在 一 定的温度条件下 ，扩散电流大大减小 。 此时PN结区的少子在内电场的在 定的温度条件下 ，由本征激发决定的少子浓度是 定的 故少子形成作用下形成的漂移电流大于扩散电流 ， 可忽略扩散度是 一 定的 ， 故少子形成的漂移电流是恒定的，基于扩散电流 ， 可忽略扩散电流， PN结呈现高阻性。本上与所加反向电压的大小无关 ， 这个电流也称为图 01 08 PN结加反向电压时2012-2-26 22小无关 ， 这个电流也称为反向饱和电流 。图 . 结加反向电压时的导电情况PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的
15、正向扩散电有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论 结具有单向导图 01.08 PN结加反向电压时的导电情况论 ： PN结具有单向导电 性 。（动画 1-5）时的导电情况2012-2-26 23性(3) PN结的伏安特性由 PN结的单向导电特性，有关理论分析，PN结两端偏置电压 与 PN结中流过的电流 I之间结两端偏置电压 uD与 结中流过的电流 之间的关系为：(1)(1)DDTuquukTSSIIe Ie= = 温度电压当量uT温度电压当量 。2012-2-26 24正向特性特点 ： 非线性：I反向击穿：电压 U(B
16、R)导通压降U反向电流死区电压在一定电压范围内保持外加电压大于死区反向特性常数。电压电压PN PN结才能导通。结才能导通。外加电压大于反向击穿电压穿电压PN PN结被击穿结被击穿。 。2012-2-26 25PN结的击穿结的击穿穿机按击 穿机 理：一 是齐纳击穿 ， 高掺杂 ， 耗尽层窄 ， 不大的是齐纳击穿 ， 高掺杂 ， 耗尽层窄 ， 不大的反向电压在耗尽层形成很强的电场，直接破坏共价键 。共价键二是雪崩击穿 ， 低掺杂，耗尽层宽，当反向电压增大到较大值时 耗尽层的电场使少子不断压增大到较大值时 ， 耗尽层的电场使少子不断被加速，动能增大，与价电子碰撞，产生新的电子 -空穴对 。电子 空穴
17、对 。2012-2-26 26(4) PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定因素决定 。一是势垒电容 CB，二是扩散电容 CD。2012-2-26 27势垒电容 CB势垒电容是由空间电荷区的宽度随外加电压的势垒电容是由空间电荷区的宽度随外加电压的变化而变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少 。 这相当 PN结中存储的电荷量也随之变化 ，或减少 。 这相当 结中存储的电荷量也随之变化 ，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图 01.09。2012-2-26 28图 01.09 势垒电容示意图扩散电容 C扩散电容是由多子扩散后 在 结的另 侧面扩散电容D扩散电容是由多
18、子扩散后 ， 在 PN结的另 一 侧面积累而形成的。因 PN结正偏时，由 N区扩散到 P区的电子 与外电源提供的空穴相复合 形成 向电的电子 ， 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堆积在 P 区内紧靠 PN结的附近 形成 定的多子浓度梯度分布曲线附近 ， 形成 一 定的多子浓度梯度分布曲线 。反 之，由 P区 扩散到 N区 的 空 穴 ， 在 N区 内 也 形反 扩散到 的穴 在 内形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如 图 01.10所示 。如 所示2012-2-26 29当外加正向电压不同时，扩散电流即外 电 路 电流 的大小 也外 路 的大小就不同。所以 PN结两侧堆积的多子的浓度侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩图 01.10 扩散电容示意图散电容均是非线性电容2012-2-26 30容 。
