常用半導(dǎo)體器件.ppt

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1、1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體概念：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。特點(diǎn)是：①導(dǎo)電性能受環(huán)境因素影響；②可通過(guò)某種工藝改變其導(dǎo)電性能。電子器件采用的半導(dǎo)體材料：主要是硅材料和鍺材料。其次還有砷化鎵和磷化鎵材料。——半導(dǎo)體材料在制造電子器件之前首先要經(jīng)過(guò)提純。經(jīng)過(guò)提純的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于其晶體結(jié)構(gòu)。硅材料和鍺材料的晶體結(jié)構(gòu)如下圖所示。對(duì)于電子器件的要求主要有兩個(gè)：一個(gè)是具有放大能力，一個(gè)是具有非線性。1.1.1本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)使得價(jià)電子一般不能掙脫共價(jià)鍵的束縛，不能自由移動(dòng)，所以不導(dǎo)電。在外界因素（溫度、光照）影響下，少數(shù)價(jià)電子獲得一定能量，

2、可以掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在原處形成一個(gè)空穴。電子和空穴都可以參與導(dǎo)電，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與電子和空穴濃度有關(guān)，電子和空穴濃度與溫度和光照條件有關(guān)。本征半導(dǎo)體的電子和空穴濃度相等。在一定溫度和光照條件下，產(chǎn)生和復(fù)合形成動(dòng)態(tài)平衡。在絕對(duì)零度和沒(méi)有光照的情況下，半導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子和空穴產(chǎn)生，此時(shí)半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。盡管電子空穴對(duì)的產(chǎn)生使得半導(dǎo)體具有一定的導(dǎo)電性，但是其導(dǎo)電性能依然很弱。能夠自由移動(dòng)的帶電粒子稱為載流子，電子和空穴都是載流子。本征半導(dǎo)體中電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生，成對(duì)復(fù)合，即電子濃度和空穴濃度相等。由于電子空穴濃度與溫度和光照有關(guān)，故本征半導(dǎo)體具

3、有熱敏特性和光敏特性。同時(shí)表明，電子器件具有溫度特性。硅原子外層有32個(gè)電子，鍺原子外層有24個(gè)電子。故硅原子的價(jià)電子離原子核遠(yuǎn)，鍺原子的價(jià)電子離原子核近，鍺原子的價(jià)電子更容易掙脫共價(jià)鍵的束縛形成電子空穴對(duì)。故一定溫度下，鍺材料的電子空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅材料，兩者相差三個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)際應(yīng)用中，硅管比鍺管應(yīng)用更為廣泛，因?yàn)槠錅囟确€(wěn)定性好得多。要改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，一般采取摻雜的方法。即在本征半導(dǎo)體材料中摻進(jìn)三價(jià)元素或者五價(jià)元素。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入少量其它元素（雜質(zhì)）可以極大地改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，這種摻入了其它元素的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)一般有兩

4、種：即五價(jià)元素（例如磷）和三價(jià)元素（例如硼）。所摻入的五價(jià)元素的價(jià)電子中有一個(gè)不能與本征半導(dǎo)體的價(jià)電子組成共價(jià)鍵，從而形成一個(gè)自由電子。這種半導(dǎo)體提供帶負(fù)電荷的載流子，故稱為N型半導(dǎo)體。一個(gè)雜質(zhì)原子提供一個(gè)載流子，故載流子濃度取決于摻雜濃度。摻雜濃度一般很低，但是比本征半導(dǎo)體的載流子濃度高得多，故摻雜使得半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能得到很大的改變。由于五價(jià)元素提供了自由電子，所以稱為施主原子。所摻入的三價(jià)元素的價(jià)電子中只有三個(gè)能與本征半導(dǎo)體的價(jià)電子組成共價(jià)鍵，從而形成一個(gè)空穴。這種半導(dǎo)體提供帶正電荷的載流子，故稱為P型半導(dǎo)體。由于三價(jià)元素提供了空穴，而空穴可以接受自由電子，所以稱

5、為受主原子。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴濃度，所以其中自由電子為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱“多子”，而空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱“少子”。P型半導(dǎo)體中，空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子濃度，所以其中空穴為多數(shù)載流子，即空穴為多子，自由電子為少子。由于雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度大，則與少子復(fù)合的機(jī)會(huì)增大，故“多子越多，少子越少”。雜質(zhì)半導(dǎo)體中導(dǎo)電性能取決于多子濃度，而多子濃度取決于摻雜濃度，故雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度幾乎無(wú)關(guān)。故雜質(zhì)半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能比本征半導(dǎo)體高得多，而且導(dǎo)電性能與溫度無(wú)關(guān)；而本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性能弱，而且

6、與溫度密切相關(guān)。半導(dǎo)體器件的核心，是將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合到一起，從而形成所謂的PN結(jié)。PN結(jié)具有非常特殊的導(dǎo)電性能——單向?qū)щ娦?，即非線性導(dǎo)電特性。當(dāng)將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體做到一起時(shí)，則在N型和P型半導(dǎo)體的交界面上會(huì)產(chǎn)生特殊的載流子的運(yùn)動(dòng)，從而形成一種特殊的內(nèi)建電場(chǎng)，形成PN結(jié)。由于PN結(jié)兩邊的載流子濃度差，所以P區(qū)和N區(qū)的多子向?qū)Ψ綌U(kuò)散，一方面多子擴(kuò)散到對(duì)方后與對(duì)方的多子復(fù)合，另一方面在PN結(jié)附近的雜質(zhì)原子因?yàn)槎嘧訑U(kuò)散到對(duì)方而成為不能移動(dòng)的帶電原子，即離子。擴(kuò)散導(dǎo)致內(nèi)電場(chǎng)的建立，內(nèi)電場(chǎng)一方面阻止擴(kuò)散的進(jìn)一步進(jìn)行，另一方面則導(dǎo)致兩邊的少子在電場(chǎng)作用下漂移。在

7、一定的溫度下，擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在交界面的一個(gè)很窄的區(qū)域內(nèi)，只剩下不能移動(dòng)的離子，不存在停止不動(dòng)的載流子，所以稱為“耗盡層”；同時(shí)，該區(qū)域阻止兩邊多子進(jìn)一步擴(kuò)散，所以稱為“阻擋層”；另外兩邊存在電勢(shì)差，所以稱為“勢(shì)壘區(qū)”。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)使得PN結(jié)變寬，漂移運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)使得PN結(jié)變窄。1.1.3PN結(jié)溫度升高，則本征激發(fā)導(dǎo)致N區(qū)和P區(qū)的少子濃度增大，則漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，則PN結(jié)寬度變窄。PN結(jié)具有特別的外特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?。即在PN結(jié)上施加外部電壓時(shí)，正向和反向電壓下導(dǎo)電性能有著顯著的不同。當(dāng)PN結(jié)的P區(qū)接外部電源的正極，N區(qū)接外部電源的負(fù)極時(shí)，則外電場(chǎng)