5-1半导体基本理论简述

主要内容重点2012.2退出开始第五章基本半导体器件5-1半导体基本理论简述退出主要内容•半导体基本概念•PN结及单向导电性退出1.半导体基本概念•根据导电特性的不同，物质可分为：–导体：存在着大量自由电子，在外电场作用下产生定向移动，容易形成电流，具有良好的导电特性。–绝缘体：其原子或分子的最外层电子为稳定结构，受原子核束缚力很强，不易产生自由电子，因此导电性极差。–半导体：半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。自然状态下具有绝缘体特性，而当满足一定外界条件时具有导电能力的材料。退出1.半导体基本概念•元素周期表中最外层为四个电子的元素所组成的物质，都可以成为半导体。四族元素如：硅（Si）、锗（Ge），原子结构如图：退出1.半导体基本概念•本征半导体（Intrinsiccrystal）：纯净、具有完整晶体结构、热力学温度T＝0K时没有自由电子的半导体。•当人为掺入特定的杂质元素、光照、热辐射等情况下，半导体的导电性会发生明显变化。•本征激发：在常温下受热或光照引起电子激发的现象。退出1.半导体基本概念由于相邻原子间的距离很小，因此相邻的两个原子的一对最外层电子（价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，称为共用电子，这样的组合称为共价键结构。此时原子最外层具有8个电子，就处于较稳定的状态。退出1.半导体基本概念•硅和锗最外层只有4个电子，若要相对稳定，则每个原子的价电子必须与相邻原子的价电子组成共价键结构。共价键结构具有较强的结合力，在绝对零度时，价电子无法挣脱共价键的束缚，不能自由移动，因此没有自由电子，此时半导体不导电。•当温度上升或者受光照等情况时，共价键结构中的价电子以热运动的形式不断从外界获得一定能量，少数价电子因获得一定能量，而挣脱共价键的束缚，被激发为自由电子。退出1.半导体基本概念•自由电子激发后，共价键结构中留下了一个空位，称为空穴（共价结构中缺少电子的位置），存在空穴的原子带正电。空穴的出现，其他共价键上的电子很容易迁移过来，其他地方的电子有可能来填补后一个空穴。电子移动，似乎空穴也在半导体中自由移动。在光或热的作用下，本征半导体中产生电子-空穴对的现象。退出1.半导体基本概念•在电场作用下，大量的价电子依次填补空穴的定向运动形成电流；价电子填补空穴的运动称为空穴运动。•载流子：自由电子和空穴都参与导电，空穴和自由电子叫做半导体中的载流子。能自由移动的电子是一种带负电荷的载流子；不能真正移动的空穴通常被认为是一种带正电荷的载流子。•本征激发产生的自由电子在外电场作用下形成定向移动的电子流，或空穴电流。退出空穴和电子产生过程本征半导体中，载流子由热激发产生，其浓度是一定的，因此导电性很差，这与环境温度密切相关。退出1.半导体基本概念•当半导体中掺入少量合适的杂质元素时，半导体晶体中就会存在多余的电子或空穴，在外电场作用下形成电流，得到杂质半导体。•根据掺入不同的杂质，可生成N型和P型两类半导体–N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素（如磷、锑）后会出现多余电子，从而形成以自由电子为主的载流子，空穴为少数载流子，这种半导体叫做N型半导体。–P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素（如硼、铟等），形成多余空穴，从而形成以空穴为主的载流子，电子为少数载流子，这种半导体叫做P型半导体。退出1.半导体基本概念–N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素（如磷、锑）后会出现多余电子，从而形成以自由电子为主的载流子，空穴为少数载流子，这种半导体叫做N型半导体。–P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素（如硼、铟等），形成多余空穴，从而形成以空穴为主的载流子，电子为少数载流子，这种半导体叫做P型半导体。三价杂质原子的空穴被填补后变成负离子五价杂质原子缺少自由电子后变成正离子退出1.半导体基本概念•半导体的导电能力取决于载流子浓度（数目）–可以通过掺入杂质的方法提高载流子浓度，通过控制掺入杂质的种类和数量可以控制半导体各种电学特性。–载流子浓度与温度有关，温度越高载流子浓度越高，所以半导体的导电能力与温度成正比。退出2.PN结与单向导电性PN结：P型和N型半导体结合在一起时，其结合的表面形成PN结。PN结是半导体器件的最基本单元结构之一。P区N区会不会一直保持这样的结构呢？物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种因为浓度差而产生的运动称为扩散。本征激发产生的少子在电场作用下产生的运动称为漂移。扩散是PN结中载流子的基本运动。退出2.PN结与单向导电性由于浓度差，N区的多子（电子）向P区扩散，从而形成带正电的区域。同样，P区的多子（空穴）向N区扩散，使得P区有多余的电子，从而形成带负电荷的区域。最终在PN结处形成空间电荷区（N正P负），该电荷区形成内电场，方向由N区指向P区，正好阻止扩散的继续。随着扩散的继续，内电场也逐渐加强，最终达到扩散与阻止扩散的平衡状态，于是空间电荷区的宽度稳定下来，可以认为载流子被耗尽，因此空间电荷区也称为耗尽层。退出PN结形成过程退出PN结加正向电压——正向导通•如果在PN结的两端外加电压，将破坏原来的平衡状态，半导体器件上施加的外电压称为偏置电压。•当电源正极接到PN结的P端，负极接到PN结的N端，称为正向偏置电压。此时外加电场与内电场方向相反，将多数载流子推向空间电荷区，外加电场削弱了内电场（耗尽层变窄），引起载流子的扩散运动持续进行，从而形成正向电流，PN结导通。退出PN结加反向电压——反向截止•当电源正极接到PN结的N端，负极接到PN结的P端，称为反向偏置电压。此时外加电场与内电场方向相同，使内电场加强（耗尽层变宽），进一步阻止载流子的扩散，阻止电流的形成，PN结处于截止状态。退出反向饱和电流无论是处于正向偏置还是反向偏置，在PN结中都会存在一个因多子扩散或者少子漂移而形成的电流，电流的大小由PN结的结面积和杂质浓度所决定，当PN结制作完成后这个电流就是固定的。反向饱和电流：反向饱和电流只有在PN结处于反向偏置时因少子漂移而形成的电流。sI退出例题如图所示的PN结正向输出特性，试估算出温度分别为25℃、45℃，要使PN结电流达到0.5mA，需要的正向偏置电压的大小为多少？PN结正向输出特性解：①从所给的特性图估计出25℃，正向偏置电压为0.6V。②从所给的特性图估计出45℃，正向偏置电压为0.55V。imAvV25C45C10.50.20.40.60.810