单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,(4-,*,),第二章 常用半导体器件原理基本电路,2.1 半导体基础知识,2.2 PN结,2.3 晶体二极管,2.4 双极性晶体管,2.5 场效应晶体管,1,第二章 常用半导体器件原理基本电路2.1 半导体基础知识2,2.1.1,本征半导体,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体,。,典型的半导体,：,硅,Si,和,锗,Ge,以及,砷化镓,GaAs,等。,半导体导电性能受,温度、光照,和,掺杂影响,。,2-1 半导体物理基础,导 体,半导体,绝缘体,2,2.1.1 本征半导体 根据物体导电能力(电阻率)的,结构特点：,、外层个电子；,、共价健,半导体特性,：,物质的导电能力由物质原子的,内部,结构,和原子间的,组合方式,决定。,2-1 半导体基础知识,3,结构特点：、外层个电子；半导体特性：物质的导电能力由,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,(a)硅晶体的空间排列 (b)共价键结构平面示意图,(c),2-1 半导体基础知识,导电特点,、受光照影响,、受掺杂影响,1、无自由电子,、温度影响,4,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体的空间排,2.1.1,本征半导体,化学成分纯净的半导体,。,它在物理结构上呈单晶体形态。,纯净的含义,无杂质,晶体结构完整,2-1 半导体基础知识,5,2.1.1 本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上,一、,半导体中的载流子,、热力学温度,0K,无外界激发,2.1.1,本征半导体,2-1 半导体基础知识,6,一、半导体中的载流子、热力学温度0K无外界激发2.1.1,2.1.1,本征半导体,2、热力学300K室温，产生自由电子,一、,半导体中的载流子,光照激发,(c),自由电子,空穴,本征激发,7,2.1.1 本征半导体2、热力学300K室温，产生自由电子,一、,半导体中的载流子,、热力学温度0K无外界激发,自由电子：,价电子能量增高，有的价电子,挣脱原子核的束缚，而参与导电。,2、热力学300K室温，产生自由电子,空穴：,价电子离开共价键后留下的空位称为空穴。,这一现象称为,本征激发,，,也称,热激发,。,2.1.1,本征半导体,2-1 半导体基础知识,8,一、半导体中的载流子、热力学温度0K无外界激发自由电子：2,3、空穴的移动,（,动画2-1,）,空穴在晶格中的移动,9,3、空穴的移动（动画2-1）空穴在晶格中的移动9,本征激发和复合的过程,（,动画1-1,）,2.1.1,本征半导体,二、,本征激发和复合,2-1 半导体基础知识,10,本征激发和复合的过程（动画1-1）2.1.1 本征半导体二,价电子,获得能量,挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。这一现象称为本征激发,本征激发,复合,自由电子,释放能量,而进入有空位的共价键，使自由,电子和空穴成对消失这一现象称为复合,。,在外电场作用下电子空穴对作定向运动形成的电流。,漂移电流,产生,电子空穴对,11,价电子获得能量挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而,导电性能发生变化,N,型半导体,(2),P,型半导体,2.1.2,杂质半导体,在本征半导体中参入,杂质,的半导体称,杂质的半导体,杂质主要是三价或五价元素,参入少量五价元素,参入少量三价元素,2-1 半导体基础知识,Text,Text,Text,参杂,结果,形成两种半导体材料,12,导电性能发生变化 N型半导体2.1.2 杂质半导体在本征,(1）,N,型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素（例如磷），可形成,N,型半导体,也称,电子型半导体,。,自由电子,13,(1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂,(2)P型半导体,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为,正离子,，因此五价杂质原子也称为,施主杂质,。,本征激发,参杂,空穴,本征激发,自由电子,电子是,多数载流子,，主要由掺杂形成；,空穴是,少数载流子,，由热激发形成,。,14,(2)P型半导体 提供自由电子的五价杂质原子因带正,(2)P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素（如硼、镓、铟等）形成了,P,型半导体,，,也称为,空穴型半导体,。,空穴,15,(2)P型半导体 在本征半导体中掺入三价,(2)P型半导体,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为,负离子,。三价杂质 因而也称为,受主杂质,。,本征激发,参杂,空穴,本征激发,自由电子,空穴是,多数载流子,，主要由掺杂形成；,电子是,少数载流子,，由热激发形成,。,16,(2)P型半导体 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为,本征,室温下,本征激发产生的电子和空穴浓度:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,掺杂,Add Your Title,掺杂浓度:,n,=510,16,/cm,3,本征硅,Add Your Title,本征硅的原子浓度:,4.9610,22,/cm,3,2.1.3 杂质对半导体导电性的影响,2-1 半导体基础知识,典型的数据如下:,17,本征 室温下,本征激发产生的电子和空穴浓度:掺杂Ad,2.1.4 半导体中的电流,飘移电流,扩散电流,在电场作用下，载流子定向运动形成的电流。,电场越强，载流子浓度越大飘移电流越强。,由于载流子浓度不均匀，从浓度大处向浓度小处扩散，形成扩散电流。,扩散电流大小与浓度梯度有关。,2-1 半导体基础知识,18,2.1.4 半导体中的电流飘移电流扩散电流 在电场作,2.2 PN结,2.2.1 PN结的形成,2.2.2 PN结的单向导电性,2.2.3 PN结的击穿特性,2.2.4 PN结的电容效应,19,2.2 PN结2.2.1 PN结的形成2.2.2 P,2.2.1 PN结的形成,N,型半导体和,P,型半导体紧密结合在一起。在,N,型半导体和,P,型半导体的结合面上形成,PN结,。,扩散电流,20,2.2.1 PN结的形成 N型半导体和P型半导,内电场,随着扩散运动的进行，,在界面N区的一侧，杂质变成正离子；,在界面P区的一侧，杂质变成负离子。,在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；,在N型和P型半导体界面的P型区一侧会形成负离子薄层。,这种离子薄层会形成一个电场，方向是从N区指向P区，称为,内电场，,空间电荷区,21,内电场随着扩散运动的进行，空间电荷区21,内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍作用，限制了扩散运动的进一步发展。在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生,漂移运动,。,内电场,漂移电流,22,内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍,内电场,扩散电流,漂移电流,扩散电流,漂移电流,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,。,23,内电场扩散电流漂移电流扩散电流漂移电流 最后,多子的扩,在,N,型和,P,型半导体的结合面上发生物理过程,总结,:,因浓度差,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,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,。,多子的扩散运动,由,杂质离子形成空间电荷区,24,在N型和P型半导体的结合面上发生物理过程总结:,浓度差,扩散运动,电荷区,形成内电场,阻止扩散运动,促使漂移运动,动态平衡,25,浓度差扩散运动电荷区形成内电场阻止扩散运动促使漂移运动动态平,PN结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。,实验,：,PN结的导电性,。按如下方式进行PN结导电性的实验，因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成PN结。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验电路，（表示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管导通而发光。,电源正极,P N,发光二极管发光,2.2.2,PN结的单向导电性,26,PN结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。实验：PN结,此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。,N P,发光二极管熄灭,PN结具有单向导电性，,若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；,若P区的电位低于N区，电流从N区流到P区，PN结呈高阻性，所以电流小。,结,论,27,此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个,定义,当外加电压使,PN,结中,P,区的电位高于,N,区的电位，称为,正向偏置,，简称,正偏,。,当外加电压使,PN,结中,P,区的电位低于,N,区的电位，,称为,反向偏置,，,简称,反偏,。,正向偏置,反向偏置,28,定义 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称,2.2.2.1 PN结加正向电压时的导电情况,外电场,外加的,正向电压,有一部分降落在,PN,结区，方向与,PN,结内电场方向相反，,削弱了内电场,。于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，,扩散电流加大,。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，,PN结呈现低阻性,。,内电场,内电场,I,F,29,2.2.2.1 PN结加正向电压时的导电情况外电场,2.2.2 PN结加反向电压时的导电情况,PN结加反向电压时，有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。,内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的,漂移电流大于扩散电流,，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。,内电场,I,S,外电场,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,I,S,。,内电场,30,2.2.2 PN结加反向电压时的导电情况 P,PN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。,PN结具有单向导电性,31,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散,其中,PN,结的伏安特性,I,S,反向饱和电流,U,T,温度的电压当量,且在常温下（,T,=300K）,2.2.2.3 PN结的I-V方程,PN结的电压和电流之间的关系为：,32,其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流UT 温度的电,PN结的伏安特性曲线如图所示。,处于第一象限的是正向伏安特性曲线，,处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,正向偏置,：,v0.1,反向偏置,：,|,V|0.1,33,PN结的伏安特性曲线如图所示。正向偏置：v0.1 反向,2.2.3,PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，,热击穿不可逆,雪崩击穿,齐纳击穿,电击穿可逆,此现象称为PN结的,反向击穿。,34,2.2.3 PN结的反向击穿 当PN结的反向,2.2.3 PN结的击穿特性,1、雪崩击穿,PN结的反向电压大于某一值()时,反向电流突然剧增，这种现象称为PN结的,击穿,发生击穿所需的电压称为,击穿电压（V,BR,）,低参杂、高电压,2、齐纳击穿,高参杂、低电压,35,2.2.3 PN结的击穿特性1、雪崩击穿 PN结的反,1、雪崩击穿,反向电压,少子动能,少子速度,碰撞共价,键中电子,产生自,由电子,电流剧增,条件：,低参杂、高电压,（,耗尽区宽碰撞机会多,）,对硅材料：,36,1、雪崩击穿反向电压少子动能少子速度碰撞共价产生自电流剧增条,2、齐纳击穿,条件：,高掺杂、低电压,（,耗尽区窄，低电压产生强电场,）,对硅材料：,低电压产,生强电场,产生空,穴,电子对,电流剧增,耗尽区窄,拉出共价,键中电子,37,2、齐纳击穿条件：高掺杂、低电压对硅材料：低电压产 产生空,2.2.4 PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由