大学课件：常用半导体器件

Chapter11Chapter1常用半导体器件半导体基础知识PN结的形成及特性半导体二极管半导体三极管场效应晶体管Chapter121.1半导体基础知识本征半导体杂质半导体半导体导电过程Chapter13自然界的物质按其导电能力的大小可分为：导体：电阻率ρ10-4cm绝缘体：ρ1012cm半导体：10-3cmρ109cm，导电性能介于导体与绝缘体之间。在近代大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）中主要使用硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）材料。半导体、集成电路SemiconductorIntegratedcircuitChapter14它们的最外层都有4电子（价电子）。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。Chapter15本征半导体：纯净的且具有完整晶体结构的半导体1.1.1本征半导体Chapter16共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子1、共价键晶体结构Si（Ge）在形成晶体时，每个原子的4个价电子均与相邻接原子的价电子形成稳定的共价键。Chapter17形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子。+4+4+4+4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（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。Chapter182本征半导体的导电机理在常温下，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。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子Chapter19本征激发：因热运动产生自由电子空穴对的现象（又称热激发）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，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。能够导电的电荷称为载流子。即自由电子和空穴。空穴导电的实质：价电子依次填补空位的运动。Chapter1103、电子、空穴的复合与本征浓度复合—自由电子和空穴在热运动中相遇而释放能量，电子空穴成对消失。在一定温度下，本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值上达到动态平衡。iipn本征半导体热平衡时的载流子浓度——本征浓度Chapter111本征半导体的导电机理与特点1.本征半导体中存在数量相等的两种载流子，其导电能力取决于载流子的浓度。但由于载流子的浓度很低，故导电能力很弱。2.当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。温度越高，载流子的浓度越高。本征半导体的导电能力越强，因此，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。3.往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。Chapter1121.1.2杂质半导体在本征Si（或Ge）中掺入微量杂质便形成杂质半导体。掺杂后，由于载流子数量大大增加，导电性能显著增强。且不再取决于温度。根据掺杂材料的不同，杂质半导体分为N型半导体（电子半导体）和P型半导体（空穴半导体）。Chapter1131.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。Chapter114+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子施主原子Chapter115N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）。Chapter1162.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。Chapter117+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子受主原子Chapter118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.掺杂后的杂质半导体在电性能上依然呈电中性。Chapter119+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子移动空穴移动Chapter120外加电场漂移电流漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比。Chapter121杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体chapter1221.2PN结的形成PN结的单向导电性PN结的电容特性chapter123在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结。1.2.1PN结的形成PN结的形成过程chapter124P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PN结处载流子的运动chapter125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EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。chapter126漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动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。chapter127－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0chapter128chapter129最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子所以也称耗尽层。物理过程如下:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散chapter1301、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、空间电荷区中内电场吸引P中的电子和N中的空穴（都是少子）向对方漂移（漂移运动），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意chapter1311.2.2PN结的单向导电性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。－－－－－－－－++++++++++++++++chapter132PN结加上正向电压chapter133PN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。－－－－++++chapter134chapter135PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。chapter136PN结伏安特性在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。其中I——PN结二极管的电流(安)IS——反向饱和电流(安)u---外加电压(伏)UT-----温度的电压当量e———自然对数的底)1()1(kTquSUuSeIeIITchapter1371.2.3PN结的反向击穿特性1、反向电压小，很小的反向饱和电流。2、加到PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，PN结被反向击穿(电击穿)３、发生击穿所需的反向电压UB称为反向击穿电压。４、PN结电击穿可分为“雪崩击穿”和“齐纳击穿”两种类型。chapter138PN结反向电压增加时，空间电荷区中电场增强，电子和空穴获得很大的能量，在运动中不断与晶体原子发生“碰撞”，当电子空穴能量足够大时，“碰撞”可使价电子激发，形成电子空穴对，称为“碰撞电离”。新产生的电子和空穴，在电场作用下也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子空穴对，这就是载流子的“倍增效应”。雪崩击穿的物理过程chapter139碰撞电离倍增效应当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就象在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结就发生雪崩击穿。chapter140较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存在一个强电场，它能够直接破坏共价键，将束缚电子拉出来形成电子-空穴对，因而形成较大的反向电流。齐纳击穿一般发生在杂质浓度大的PN结中。因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，即使反向电压不太高，在PN结内就可形成很强的电场，容易形成齐纳击穿。齐纳击穿的物理过程chapter141一般整流二极管掺杂浓度不很高，它的电击穿多数是雪崩击穿。齐纳击穿多数出现在特殊的二极管中，如稳压二极管。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，所以使用时应尽量避免出现击穿现象。chapter142PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。1.2.4PN结的电容效应chapter1431、势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。chapter144扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。2、扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。chapter145当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。DBJCCC势垒电容和扩散电容均是非线性电容。由于CB、CD都并接在PN结上，故CJPN结正偏时,CD＞＞CB，CJ≈CD；PN结反偏时,CB＞＞CD，CJ≈CB（10~102pF）。chapter1461.3半导体二极管二极管的结构二极管的特性二极管的主要参数二极管的温度特性二极管的型号二极管的模型及应用其他类型的二极管chapter147在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。1、点接触型二极管一、半导体二极管的结构类型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频路。chapter1483、平面型二极管2、面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。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。阳极阴极chapter149IS为反向饱和电流，V为二极管两端的电压降，VT=kT/q称为温度的电压当量，在室温下，VT=26m