半導(dǎo)體器件ppt課件.ppt

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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