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1、第1章半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3半導(dǎo)體三極管1.4場效應(yīng)管1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)物體根據(jù)導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類。凡容易導(dǎo)電的物質(zhì)(如金、銀、銅、鋁、鐵等金屬物質(zhì))稱為導(dǎo)體;不容易導(dǎo)電的物質(zhì)(如玻璃、橡膠、塑料、陶瓷等)稱為絕緣體;導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)(如硅、鍺、硒等)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用,是因?yàn)樗哂袩崦粜浴⒐饷粜?、摻雜性等特殊性能。1.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種純凈的半導(dǎo)體晶體。常用的半導(dǎo)體材料是單晶硅(Si)和單晶
2、鍺(Ge)。半導(dǎo)體硅和鍺都是4價(jià)元素,其原子結(jié)構(gòu)如圖1.1(a),(b)所示。圖1.1半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)示意圖(a)硅原子;(b)鍺原子;(c)簡化模型本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示。由圖1.2可見,各原子間整齊而有規(guī)則地排列著,使每個(gè)原子的4個(gè)價(jià)電子不僅受所屬原子核的吸引,而且還受相鄰4個(gè)原子核的吸引,每一個(gè)價(jià)電子都為相鄰原子核所共用,形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。每個(gè)原子核最外層等效有8個(gè)價(jià)電子,由于價(jià)電子不易掙脫原子核束縛而成為自由電子,因此,本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力較差。圖1.2單晶硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)但是,如果
3、能從外界獲得一定的能量(如光照、溫升等),有些價(jià)電子就會(huì)掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子,在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位,稱為“空穴”??昭ǖ某霈F(xiàn)使相鄰原子的價(jià)電子離開它所在的共價(jià)鍵來填補(bǔ)這個(gè)空穴,同時(shí),這個(gè)共價(jià)鍵又產(chǎn)生了一個(gè)新的空穴。這個(gè)空穴也會(huì)被相鄰的價(jià)電子填補(bǔ)而產(chǎn)生新的空穴,這種電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于帶正電荷的空穴在運(yùn)動(dòng),并把空穴看成一種帶正電荷的載流子??昭ㄔ蕉?,半導(dǎo)體的載流子數(shù)目就越多,因此形成的電流就越大。在本征半導(dǎo)體中,空穴與電子是成對(duì)出現(xiàn)的,稱為電子—空穴對(duì)。其自由電子和空穴數(shù)目總是相等的。本征半導(dǎo)體
4、在溫度升高時(shí)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。溫度越高,產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)數(shù)目就越多,這就是半導(dǎo)體的熱敏性。在半導(dǎo)體中存在著自由電子和空穴兩種載流子,而導(dǎo)體中只有自由電子這一種載流子,這是半導(dǎo)體與導(dǎo)體的不同之處。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素,就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)元素的性質(zhì)不同,雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩大類。1.P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅(或鍺)中摻入微量的3價(jià)元素(如硼、銦等)而形成的。因雜質(zhì)原子只有3個(gè)價(jià)電子,它與周圍硅原子組成
5、共價(jià)鍵時(shí),缺少1個(gè)電子,因此在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空穴,當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子受熱激發(fā)獲得能量時(shí),就有可能填補(bǔ)這個(gè)空穴,使硼原子成為不能移動(dòng)的負(fù)離子,而原來硅原子的共價(jià)鍵因缺少了一個(gè)電子,便形成了空穴,使得整個(gè)半導(dǎo)體仍呈中性,如圖1.3所示。圖1.3P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)在P型半導(dǎo)體中,原來的晶體仍會(huì)產(chǎn)生電子—空穴對(duì),由于雜質(zhì)的摻入,使得空穴數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)目,成為多數(shù)載流子(簡稱多子),而自由電子則為少數(shù)載流子(簡稱少子)。因而P型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主。2.N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體硅中摻入微量的5
6、價(jià)元素(如磷、砷、鎵等)而形成的,雜質(zhì)原子有5個(gè)價(jià)電子與周圍硅原子結(jié)合成共價(jià)鍵時(shí),多出1個(gè)價(jià)電子,這個(gè)多余的價(jià)電子易成為自由電子,如圖1.4所示。綜上所述,在摻入雜質(zhì)后,載流子的數(shù)目都有相當(dāng)程度的增加。因而對(duì)半導(dǎo)體摻雜是改變半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的有效方法。圖1.4N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.1.3PN結(jié)的形成及特性1.PN結(jié)的形成在同一塊半導(dǎo)體基片的兩邊分別形成N型和P型半導(dǎo)體,它們的交界面附近會(huì)形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū),稱其為PN結(jié)。PN結(jié)的形成過程如圖1.5所示。圖1.5PN結(jié)的形成(a)多子擴(kuò)散示意圖;(b)P
7、N結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?)PN結(jié)正向偏置——導(dǎo)通給PN結(jié)加上電壓,使電壓的正極接P區(qū),負(fù)極接N區(qū)(即正向連接或正向偏置),如圖1.6(a)所示。由于PN結(jié)是高阻區(qū),而P區(qū)與N區(qū)電阻很小,因而外加電壓幾乎全部落在PN結(jié)上。由圖可見,外電場將推動(dòng)P區(qū)多子(空穴)向右擴(kuò)散,與原空間電荷區(qū)的負(fù)離子中和,推動(dòng)N區(qū)的多子(電子)向左擴(kuò)散與原空間電荷區(qū)的正離子中和,使空間電荷區(qū)變薄,打破了原來的動(dòng)態(tài)平衡。同時(shí)電源不斷地向P區(qū)補(bǔ)充正電荷,向N區(qū)補(bǔ)充負(fù)電荷,其結(jié)果使電路中形成較大的正向電流,由P區(qū)流向N區(qū)。這時(shí)PN結(jié)
8、對(duì)外呈現(xiàn)較小的阻值,處于正向?qū)顟B(tài)。圖1.6PN結(jié)的單向?qū)щ娦元ぃ╝)正向連接;(b)反向連接2)PN結(jié)反向偏置——截止將PN結(jié)按圖1.6(b)所示方式連接(稱PN結(jié)反向偏置)。由圖可見,外電場方向與內(nèi)電場方向一致,它將N區(qū)的多子(電子)從PN結(jié)附近拉走,將P區(qū)的多子(空穴)從PN結(jié)附近拉走,使PN結(jié)變厚,呈現(xiàn)出很大的阻值,且打破了原來的動(dòng)態(tài)平衡,使漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。由于漂移運(yùn)動(dòng)是少子運(yùn)動(dòng),因而漂移電