(下册)第1章半导体器件

一、电子技术的发展电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床交通：飞机、火车、轮船、汽车军事：雷达、电子导航航空航天：卫星定位、监测医学：γ刀、CT、B超、微创手术消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统绪论1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管→半导体管→集成电路半导体元器件的发展1947年贝尔实验室制成第一只晶体管1958年集成电路1969年大规模集成电路1975年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。第一只晶体管的发明者（byJohnBardeen,WilliamSchockleyandWalterBrattaininBellLab）第一个集成电路及其发明者（JackKilbyfromTI）1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后，2000年获诺贝尔物理学奖。“为现代信息技术奠定了基础”。他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。值得纪念的几位科学家！二、模拟信号与模拟电路1.电子电路中信号的分类数字信号：离散性模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。2.模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。其它模拟电路多以放大电路为基础。“1”的电压当量“1”的倍数任何瞬间的任何值均是有意义的三、电子信息系统的组成模拟电子电路数字电子电路（系统）信号的提取信号的预处理信号的加工信号的驱动与执行A/D转换计算机或其它数字系统D/A转换信号的提取信号的预处理信号的加工信号的驱动与执行A/D转换计算机或其它数字系统D/A转换传感器接收器隔离、滤波、放大运算、转换、比较功放模拟-数字混合电子电路模拟电子系统执行机构第1章半导体器件1.1半导体的基本知识1.2PN结与二极管1.3半导体三极管1.4场效应管本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。§1.1半导体的导电性能1、导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的导电特性半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。SiSiSiSi价电子1.1.1本征半导体硅原子外层轨道4个价电子，它与相邻原子靠得很近，使价电子成为两个原子共有，形成共价键结构。SiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即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空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理本征激发：空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动），产生电流。本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，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。1.1.2杂质半导体在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体。根据掺杂的不同，杂质半导体分为：N型半导体：在纯净半导体中掺入微量的五价元素（如磷、砷）后形成．P型半导体：在纯净半导体中掺入微量的三价元素（如硼）后形成。N型半导体掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的五价元素在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。P型半导体掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素SiSiSiSiP型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性（晶体中正负电荷数目相等）。在本征半导体中掺入微量三价元素思考：N型半导体中的自由电子多于空穴P型半导体中的空穴多于自由电子是否N型半导体带负电，而P型半导体带正电？不是。当原子没有被激发时，价电子被共价键束缚得很紧，此时晶体没有导电能力；而被激发形成了N或P型导体以后，载流子的多少，只表示导电能力的大小，对外并不显电性。所以我们应该注意：不论N型，P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体是不带电的。当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转型为P型；杂质半导体的转型：当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转型为N型问题：N型半导体可否转成P型？或是P型半导体能否转成N型？通过特殊的掺杂工艺，使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区，交界处将形成一个特殊的薄层，称为PN结。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结的形成§1.2PN结与二极管（1）由于载流子的浓度差别作用下，多子做扩散运动，电子从N区P向区扩散，在交界面N区附近留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------N区一侧失去电子留下不能移动的正离子，该离子不能参与导电。同样，在浓度差的作用下，空穴从P区向N区扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------P区一侧失去空穴留下不能移动的负离子，该离子也不能参与导电。在交界面P区附近留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子，称为空间电荷区。空间电荷区N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结空间电荷区N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------这个空间电荷区就是PN结。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场内电场方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------内电场方向是从带正电的N区指向带负电的P区内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，即PN结阻碍多子的扩散，这是一方面；N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------P向N区扩撒的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力N向P区扩撒的自由电子也将受到内电场的阻力此时少数载流子在内电场作用下有规则的运动，即PN结另一方面还要加速少子的漂移运动N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面内电场对与少数载流子则可推动它们越过空间电荷区，进入对方N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------扩散和漂移互相联系又互相矛盾，逐渐达到平衡动态平衡。当空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结处于相对稳定的状态。当扩散与漂移作用平衡时a.流过PN结的净电流为零。b.PN结的厚度一定（约几个微米）。c.接触电势一定（约零点几伏）。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------当N区和P区的掺杂浓度不等时：离子密度大空间电荷区的宽度较窄离子密度小空间电荷区的宽度较宽高掺杂浓度区域用N+表示++++++______PN+1.2.2PN结的单向导电性PN结正向偏置结构：P区加正电压、N区加负电压特点：结电阻很小，正向电流较大PN结反向偏置结构：P区加负电压、N区加正电压特点：结电阻很大，反向电流很小PN结最基本的特性：单向导电性即外加正向电压，PN结导通；外加反向电压，PN结截止。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++PN结上加正向电压，+接P，-接N。外电场与内电场方向相反，破坏扩散与漂移的平衡------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++内电场被削弱PN结变窄多子扩散增加P区的空穴受外电场影响进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，N区的自由电子也进入抵消一部分正空间电荷外电场越强，正向电流越大（P至N），PN结呈现低阻、导通状态------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++内电场被削弱PN结变窄多子扩散增加正向电流（由P流向N区的电流），包括空穴电流和电子电流空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们运动的方向相反所以电流一致，外电源不断向半导体提供电荷，使电流得以维持。内电场增强PN结变宽不利多子扩散有利少子漂移------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++2．PN结反向偏置外电场和内电场方向一致，内电场加强，使多子扩散难于进行，加强了漂移运动。PN结呈现高阻、截止状态。此电流称为反向饱和电流，记为IS。外电场作用下，N中的空穴越过PN结进入P区，P区自由电子越过PN结进入N区，在电路中形成反向电流（N