常用半导体器件原理一

∙1∙第四章常用半导体器件原理4.1半导体物理基础本章从半导体器件的工作机理出发，简单介绍半导体物理基础知识，包括本征半导体，杂质半导体，PN结；分别讨论晶体二极管的特性和典型应用电路，双极型晶体管和场效应管的结构、工作机理、特性和应用电路，重点是掌握器件的特性。媒质导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108~1020·m。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)。半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。∙2∙第四章常用半导体器件原理24.1.1本征半导体纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。因为整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表。+4带一个单位负电荷的价电子最外层轨道带四个单位正电荷的原子核部分+14+32硅原子简化模型锗原子图4.1.1硅和锗的原子模型(b)(c)(a)∙3∙第四章常用半导体器件原理3每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。+4价电子+4+4+4+4+4+4+4+4共价键图4.1.2本征半导体的空间晶格结构价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。空穴+4+4+4+4自由电子图4.1.3本征激发成对产生自由电子和空穴∙4∙第四章常用半导体器件原理4+4+4+4+4+4+4+4+4+4图4.1.4价电子反向递补运动相当于空穴移动空穴移动方向价电子移动方向价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，图4.1.5复合消失一对自由电子和空穴空穴+4+4+4+4自由电子∙5∙第四章常用半导体器件原理5平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度(cm-3)，理论上kTEeTApn2230ii0G其中T为绝对温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度，硅原子为1.21eV，锗为0.78eV；k=8.63105eV/K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.871016cm-3K3/2，锗为1.761016cm3K3/2。4.1.2N型半导体和P型半导体本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。∙6∙第四章常用半导体器件原理6一、N型半导体在本征半导体中掺入五价原子，即构成N型半导体。N型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度一一施主电离多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴但半导体仍保持电中性+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子施主原子图4.1.6N型半导体空间晶格结构的平面示意热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度ni的平方，所以空穴的浓度pn为因为ni容易受到温度的影响发生显著变化，所以pn也随环境的改变明显变化。DnNnD2in2inNnnnp自由电子浓度杂质浓度∙7∙第四章常用半导体器件原理7二、P型半导体在本征半导体中掺入三价原子，即构成P型半导体。P型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离多数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子但半导体仍保持电中性+4+4+4+4+3+4+4+4+4空位受主原子图4.1.7P型半导体空间晶格结构的平面示意而自由电子的浓度np为环境温度也明显影响np的取值。ApNpA2ip2ipNnpnn空穴浓度掺杂浓庹∙8∙第四章常用半导体器件原理84.1.3漂移电流和扩散电流半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体电流半导体电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。PnIII∙9∙第四章常用半导体器件原理94.2PN结通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，则P型半导体和N型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为PN结。4.2.1PN结的形成++++P区N区(a)++++++++++++++++P区N区(b)空间电荷区内建电场0UBUB图4.2.1PN结的形成(a)多子的扩散；(b)空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生++++++++++++多子扩散空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生少子漂移动态平衡∙10∙第四章常用半导体器件原理10空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的PN结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。耗尽区耗尽区++++++++++++++++(a)(b)++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++P区N区P区N区图4.2.2掺杂浓度不对称的PN结(a)P+N结；(b)PN+结∙11∙第四章常用半导体器件原理114.2.2PN结的单向导电特性++++++++++++++++P区N区耗尽区0UBUUBERU内建电场外加电场正向电流图4.2.3正向偏置的PN结一、正向偏置的PN结正向偏置耗尽区变窄扩散运动加强，漂移运动减弱正向电流二、反向偏置的PN结P区耗尽区0UBUUBERU内建电场外加电场N区反向电流图4.2.4反向偏置的PN结++++++++++++++++反向偏置耗尽区变宽扩散运动减弱，漂移运动加强反向电流∙12∙第四章常用半导体器件原理12PN结的单向导电特性：PN结只需要较小的正向电压，就可以使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。4.2.3PN结的击穿特性当PN结上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结的击穿。雪崩击穿：反偏的PN结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离，把价电子击出共价键，产生一对自由电子和空穴，连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的PN结中。齐纳击穿：在重掺杂的PN结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。PN结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护PN结不受损坏。PN结击穿∙13∙第四章常用半导体器件原理134.2.4PN结的电容特性PN结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这说明PN结具有电容效应。一、势垒电容P区N区耗尽区|u|P区N区耗尽区|u|↑(a)(b)图4.2.5耗尽区中存贮电荷的情况(a)u增大时存贮电荷减少；(b)u减小时存贮电荷增加++++++++++++++++++++++++++++++++dSUuCuQCnB0TT1CT0为u=0时的CT，与PN结的结构和掺杂浓度等因素有关；UB为内建电位差；n为变容指数，取值一般在1/3~6之间。当反向电压u绝对值增大时，CT将减小。∙14∙第四章常用半导体器件原理14二、扩散电容P区N区耗尽区uP区N区耗尽区uu00np0pn0pnnnnpppQnQpuQQuQCpnDPN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即Cj=CT+CD。CT和CD都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当PN结正偏时，CD远大于CT，即CjCD；反偏的PN结中，CT远大于CD，则CjCT。∙15∙第四章常用半导体器件原理154.3晶体二极管PNiDuD(b)(a)引线管壳图4.3.1二极管(a)结构；(b)电路符号二极管可以分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和锗管。4.3.1二极管的伏安特性一一指数特性)1()1(TDD/S/SDUukTqueIeIiIS为反向饱和电流，q为电子电量(1.601019C)；UT=kT/q，称为热电压，在室温27℃即300K时，UT=26mV。uDiDUD(on)0图4.3.2二极管的伏安特性IS击穿TDSDUueIiT2T1一、二极管的导通，截止和击穿当uD0且超过特定值UD(on)时，iD变得明显，此时认为二极管导通，UD(on)称为导通电压(死区电压)；uD0时，二极管是截止的；当反向电压足够大时，PN结击穿，二极管中的反向电流急剧增大，二极管被击穿。∙16∙第四章常用半导体器件原理16二、二极管的管压降uDiDUD(on)0伏安特性曲线QEER负载线UDIDEiDuD(a)(b)R图4.3.3二极管的管压降(a)电路；(b)伏安特性和负载特性D当电源电压E变化时，负载线平移到新的位置，虽然ID有比较大的变化，UD变化却不大，仍然近似等于UD(on)，所以也可以认为UD(on)是导通的二极管两端固定的管压降。三、二极管的电阻Q(UD,ID)uDiD0Q(UD,ID)IDUD(a)uDiD0(b)iuD1RD1r图4.3.4二极管电阻的几何意义(a)直流电阻RD；(b)交流电阻rDQDDDIURQDiur直流电阻交流电阻∙17∙第四章常用半导体器件原理17RD和rD随工作点的位置变化而改变DTSTQSTQQDTDTddIUeIUeIUiuiurUUUu4.3.2温度对二极管伏安特性的影响T增大；Is增大，T增大10倍，Is增大一倍。减小，雪崩击穿电压增大，齐纳击穿电压减小。)on(DUO)on(DC/mV.dTdU52∙18∙第四章常用半导体器件原理184.3.3二极管的近似伏安特性和简化电路模型uDiDUD(on)0一般二极管uDiDUD(on)0交流电阻为零的二极管uDiD0理想二极管D1rIIIIIIIIIrD0UD(on)0rD0UD(on)rDuDUD(on)uDUD(on)UD(on)uDUD(on)uDUD(on)uD0uD0IIIIIIIII∙19∙第四章常用半导体器件原理19【例4.3.1】电路如图(a)所示，计算二极管中的电流ID。已知二极管的导通电压UD(on)=0.6V，交流电阻rD近似为零。图4.3.7计算二极管电流(a)原电路；(b)等效电路(b)0.6V6V6VR12kR21kI1I2(a)6V6VR12kR21kAIDIDDEEEE解：可以判断二