半导体基础知识(1)

§1.1半导体的基本知识自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。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。半导体的电阻率为10-3～109cm。一、半导体及其特性1、什么是半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。2、半导体的导电特性1）热敏性与温度有关。温度升高，导电能力增强。2）光敏性与光照强弱有关。光照强，导电能力增强3）掺杂性加入适当杂质，导电能力显著增强。3、常用半导体材料1）元素半导体如：硅、锗2）化合物半导体如：砷化镓3）掺杂或制成其他化合物半导体的材料如；硼、磷、铟、锑1、本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。如硅晶体中，原子之间靠的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子所共有，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。在高度纯净的硅晶体中，所有外层电子均用于构成共价键，没有多余的自由电子，只有通过很强的力才能使电子脱离晶体束缚。1）内部结构一、半导体物质的内部结构和导电机理硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子2）本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。①电子—空穴对的产生+4+4+4+4电子—空穴对的产生自由电子空穴束缚电子②两种导电方式+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引临近的价电子来填补。这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，即：空穴电流在外电场作用下，有两部分电流：1、自由电子定向移动。2、空穴电流③说明a.复合：激发：激发和复合成对产生成对消失b.载流子：电子和空穴c.漂移运动：载流子在电场力的作用下的定向运动d.自由电子向电源正极移动，空穴向负极移动。虽然电子、空穴的运动方向相反，但在外电路中形成电流却一致。e.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。f.温度越高，载流子的浓度越高。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。1）N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子++++++++++++++++++++++++N型半导体N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。2）P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体总结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。3、多子由掺杂浓度决定，少子由温度决定。三、PN结及其单向导电性1、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区1）多数载流子的扩散运动及空间电荷区的产生(即:PN结的产生)(浓度差产生)2、扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E2）内电场的形成及其作用{1、内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。阻挡多子扩散促进少子漂移3）矛盾运动3、所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位UU04）内建电势差1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意2PN结的特性--单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。1)PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。2)PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。在PN结的两端加上电压后，通过管子的电流I随管子两端电压V变化的曲线-伏安特性。PN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。PN结伏安特性1.2二极管二极管的结构和分类二极管的符号和型号二极管的伏安特性二极管的参数二极管的温度特性二极管的应用一、二极管的结构和分类在PN结上加上引线和外壳，就成为一个二极管。二极管按结构一般分有点接触型、面接触型(1)点接触型二极管—(a)点接触型图二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。1、结构图二极管的结构示意图(c)平面型(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型2、分类1）按材料分：硅管和锗管2）按结构分：点接触和面接触3）按用途分：检波、整流……4）按频率分：高频和低频二、、符号和型号AK阳极、P型材料阴极、N型材料半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：三、二极管的伏安特性式中IS为反向饱和电流，u为二极管两端的电压降，UT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV。)1(eTSUuII二极管的伏安特性曲线可用下式表示图二极管的伏安特性曲线图示)1(eTSUuII1、正向特性硅二极管的死区电压Uth=0.6V-0.7V左右，锗二极管的死区电压Uth=0.2V-0.3V左右。当0＜U＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。当U＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当U＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。2、反向特性当U＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当UBR＜U＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当U≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_四、二极管的参数(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。最大反向工作电压URM------(3)反向电流IR(4)正向压降UF(5)动态电阻rd硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即rd=UF/IFiDUDIDUDQiDUDrD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：DDDIUr显然，rD是对Q附近的微小变化量的电阻。五、二极管的温度特性温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降UF(UD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。图温度对二极管伏安特性曲线的影响图示例1一限幅电路如图（a），R=1kΩ,UREF=3V。（1）当ui=0V、6V时，分别求输出uO的值；（2）当ui=6sinωtV时，画出输出电压uo的波形（正向压降为零）。六、二极管的应用例2、二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。0V正偏导通5V正偏导通0V输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V例3、画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)Otui/V15RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V151.3稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样(b)一、特性(a)二、符号(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。rZ=UZ/IZ三、主要参数(3)最大耗散功率PZM——稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为PZ=UZIZ，由PZM和UZ可以决定IZmax。(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin—————稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZ＜IZmin则不能稳压。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。(c)四、稳压管的应用1、光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加五、其它特殊二极管2、发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。常用作显示器件。1.4晶体三