第1章半导体器件(8学时)



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1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础第一章第一章半导体器件半导体器件1.2半导体二极管半导体二极管1.3双极结型三极管双极结型三极管1.4场效应三极管场效应三极管(总学时:8)1.1半导体的特性半导体的特性导体:导体:电阻率电阻率 109 物质。如橡胶、塑料等。物质。如橡胶、塑料等。半导体:半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多 数半导体器件所用的主要材料是硅数半导体器件所用的主要材料是硅( (Si) )和锗和锗( (Ge) )。半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。1.1半导体特性半导体特性( (a) )硅的原子
2、结构图硅的原子结构图最外层电子又称最外层电子又称价电子价电子 价电子价电子4 价元素的原子常常用价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围电荷的正离子和周围 4个价电子表示。个价电子表示。+4( (b) )简化模型简化模型 硅的原子序数硅的原子序数14,锗的原,锗的原子序数子序数32,它们的最外层都是四,它们的最外层都是四个电子,所以称之为四价元素。个电子,所以称之为四价元素。1.1.11.1.1本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。体称为本征半导体。 将 硅 或 锗
3、 材将 硅 或 锗 材料提纯便形成单料提纯便形成单晶体,它的原子晶体,它的原子结构为共价键结结构为共价键结构。构。价价电电子子共共价价键键单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构 当温度当温度 T = 0 K 时时(相当相当于于 ),半导体不导电,半导体不导电,如同绝缘体。如同绝缘体。C273-+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ,将有少数价,将有少数价电子克服共价键的束缚成电子克服共价键的束缚成为为自由电子自由电子,在原来的共,在原来的共价键中留下一个空位价键中留下一个空位空穴。空穴。T 自由电子自
4、由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力,征半导体具有导电能力,但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的空穴可看成带正电的载流子。载流子。1. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2. 本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,称为称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。3. 本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度相等。的浓度相等。由于由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在在一定的温度下,产生与复合运动会达到
5、平衡,载流子的浓度一定的温度下,产生与复合运动会达到平衡,载流子的浓度就一定了。就一定了。4. 本征半导体基本不导电。本征半导体基本不导电。5. 载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升高,基本按指数规律增加。高,基本按指数规律增加。小结:小结:(播放Flash课件1-1)1.1.2.1.1.2.杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素,如磷、杂质元素,如磷、锑、砷等,即构成锑、砷等,即构成 N 型半导体型半导
6、体( (或称电子型半导体或称电子型半导体) )。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。 本征半导体掺入本征半导体掺入 5 价元素后,原来晶体中的某些价元素后,原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价个价电子,其中电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子只受个与硅构成共价键,多余一个电子只受自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。5价价杂杂质原子称质原子称施主原子。施主原子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度。自由电子浓度远大于空穴的浓度。电子称为多数电
7、子称为多数载流子载流子( (简称多子简称多子) ),空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子( (简称少子简称少子) )。N N型半导体中型半导体中多数多数载流子的浓度与参杂的浓度有关,载流子的浓度与参杂的浓度有关,而而少数少数载流子的浓度与载流子的浓度与温度温度有关。有关。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子N 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价价杂质元素,如杂质元素,如硼、镓、铟等,即构成硼、镓、铟等,即构成 P 型半导体型半导体。+3空穴浓
8、度多于电子浓空穴浓度多于电子浓度,度,空穴为多数载流子空穴为多数载流子,电子为少数载流子电子为少数载流子。同样同样多数多数载流子的浓度与参杂载流子的浓度与参杂的浓度有关,而的浓度有关,而少数少数载流载流子的浓度与温度有关。子的浓度与温度有关。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主原子。受主受主原子原子空穴空穴P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构说明:说明:1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂
9、质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体,因而其导电能力大大改善。体,因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体1.2.1PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,另型半导体,另一侧掺杂成为一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形成了型半导体,两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层,一个特殊的薄层,称为称为 PN 结结。 PNPN结结下面介绍下面介绍PN 结的形成过程:结的形成过程:1
10、.2 1.2 半导体二极管半导体二极管一、一、 PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1. 扩散运动扩散运动2. 扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。 PN 结,耗结,耗尽层。尽层。PN3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒; 内电场内电场;内电场阻止多子的扩散;内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内电场
11、有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。 少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小;扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小;随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;当扩散电流与漂移电流相等时,当扩散电流与漂移电流相等时,PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米;几十微米;等于零,空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零,空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运