模拟电路与数字电路

第二章半导体器件基础内容提要半导体基础知识晶体二极管特殊二极管晶体三极管2.1半导体的基础知识本征半导体杂质半导体载流子的运动方式及形成的电流PN结及其单向导电性半导体及其材料·导体:电阻率ρ小于10-3Ω·cm·绝缘体:ρ大于108Ω·cm·半导体:ρ介于导体和绝缘体之间。常用半导体材料有:硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓(GaAs)等2.1.1半导体电阻率：数值上等于单位长度、单位截面的某种物质的电阻。本征半导体半导体的原子结构:本征半导体——化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单晶体形态。硅(Si)锗(Ge)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”。半导体的共价键结构4共价键共价键中的两个价电子原子核本征半导体概念4本征激发（热激发）本征半导体的导电机理本征激发产生的空穴价电子价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。该现象称为本征激发(热激发)本征激发产生的自由电子4本征激发（热激发）本征半导体的导电机理空穴价电子自由电子在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒子(载流子)：成对的电子和空穴复合——自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子空穴成对消失。本征半导体的导电机理自由电子和空穴成对产生的同时，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，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差。(2)温度越高，载流子的数目越多,半导体的导电性能也就越好。可见，温度对半导体器件性能影响很大。T＝300K时电子浓度硅：锗：铜：2238.510/incm1332.510/iinpcm1031.510/iinpcm光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。据此可制作各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。半导体的特性热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。据此可制作温度敏感元件，如热敏电阻。本征半导体掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而导电能力显著增强。据此可制作各种半导体器件，如二极管和三极管等。半导体特性本征半导体2.1.2杂质半导体杂质半导体—在本征半导体中掺入微量其它元素而得到的半导体。杂质半导体可分为：N型(电子)半导体和P型(空穴)半导体两类。1.N型半导体在本征半导体中掺入微量五价元素物质（磷、砷等）而得到的杂质半导体。结构图561010掺杂后，某些位置上的硅原子被5价杂质原子（如磷原子）取代。磷原子的5个价电子中，4个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离。5价杂质原子又称施主杂质。1.N型半导体常温下杂质原子电离，产生电子—正离子对4本征激发（热激发）本征半导体的导电机理本征激发产生的空穴价电子价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。该现象称为本征激发(热激发)本征激发产生的自由电子这种电子为多数载流子的杂质半导体称为N型半导体。可见：在N型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子）；空穴是少数载流子（简称少子）。N型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。1.N型半导体N型半导体是否带电？正负电荷数相等，N型半导体呈电中性N型半导体中电子-空穴数是否相同？在本征半导体中掺入微量三价元素物质（硼、铝等）而得到的杂质半导体。2.P型半导体幻灯片放映结构图掺杂后，某些位置上的硅原子被3价杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有3个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴，导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。3价杂质原子又称受主杂质。2.P型半导体这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。可见：在P型半导体中空穴是多数载流子(简称多子),自由电子是少数载流子（简称少子）。P型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。2.P型半导体ppnniinpnpnp杂质浓度对导电性能的影响Si原子浓度：5×1022cm−3本征Si：ni=1.5×1010cm−3(300K)ρ≈105Ωcm杂质浓度：1013cm−3ρ≈103Ωcm1021cm−3ρ≈10−3Ωcm掺杂浓度对半导体导电性有很大的影响！扩散运动—载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流—载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比载流子运动方式及形成电流1.扩散运动及扩散电流漂移运动—载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流—载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。漂移电流大小与电场强度成正比2.漂移运动及漂移电流1.PN结的形成在一块本征半导体的两边掺以不同的杂质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，另一方面，随着扩散运动的进行，P区一边失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，2.1.3PN结及其单向导电性则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。形成空间电荷区，产生内建电场。电场方向由N区指向P区，有利于P区和N区的少子漂移运动，而阻止多子扩散运动。UΦ：势垒电压UΦ=0.6~0.8V或0.2~0.3VPN结平衡空间电荷区/耗尽层UΦ内建电场1.PN结的形成P区空间电荷区N区PN结及其内电场内电场方向＋＋＋＋＋＋＋＋＋P区N区载流子的扩散运动＋＋＋＋＋＋＋＋＋多子扩散形成空间电荷区,产生内电场少子漂移促使阻止扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结小结载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移运动=扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。1.PN结的形成扩散交界处的浓度差P区的一些空穴向N区扩散N区的一些电子向P区扩散P区留下带负电的受主离子N区留下带正电的施主离子内建电场漂移电流扩散电流PN结动态平衡2.PN结的特性（1）单向导电性（2）击穿特性(1)单向导电性2.PN结的特性31UΦUΦ–U合成电场(1)单向导电性PN结加正向电压2.PN结的特性PN外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，未加偏压时的耗尽层空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过这个势垒的多数载流子数量大大增加，形成较大的扩散电流。加偏压时的耗尽层32流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称：加正向偏压时的耗尽层UΦUΦ–U合成电场PN结正向导通状态未加偏压时的耗尽层PN结加正向电压33加反向偏压时的耗尽层UΦUΦ+U合成电场(1)单向导电性PN结加反向电压2.PN结的特性PN外加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零，而少子更容易产生漂移运动。未加偏压时的耗尽层34加反向偏压时的耗尽层UΦUΦ+U合成电场流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称：PN结反向截止状态未加偏压时的耗尽层PN结加反向电压小结PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到IS0，则认为PN结截止。PN结正向导通、反向截止的特性称PN结的单向导电特性。击穿——PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而结两端电压基本不变的现象。(2)击穿特性2.PN结的特性击穿不一定导致损坏。利用PN结击穿特性可以制作稳压管。击穿电压Uz雪崩击穿击穿分类(2)击穿特性2.PN结的特性齐纳击穿雪崩击穿(碰撞击穿)反向电压足够高时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其它的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿。(2)击穿特性2.PN结的特性齐纳击穿(电场击穿)当反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到105V／cm以上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子-空穴对，使载流子突然增多，产生击穿现象，称为齐纳击穿。掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。(2)击穿特性2.PN结的特性