第二章 半導(dǎo)體基本器件.ppt

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1、第二章半導(dǎo)體基本器件12.1半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識一、什么是半導(dǎo)體？導(dǎo)體(金屬原子的外層電子受原子核的束縛力很小，自由電子成為導(dǎo)電的“載流子”)絕緣體可運(yùn)動(dòng)的帶電粒子p392半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si),鍺(Ge)。硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型(a)硅原子(b)鍺原子簡化模型硅和鍺都是四價(jià)元素,原子的最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子。31.本征半導(dǎo)體（純凈的半導(dǎo)體晶體）硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)（ａ）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（ｂ）共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：每個(gè)原子周圍有四個(gè)相鄰的原子，原子之間通過共價(jià)鍵緊密結(jié)合在一起。原子最外層的價(jià)電子不僅圍繞…兩個(gè)相鄰原子共用一

2、對電子4熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴室溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位這個(gè)空位稱為“空穴”。失去價(jià)電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。在電子技術(shù)中,將空穴看成帶正電荷的載流子。5空穴運(yùn)動(dòng)有了空穴，鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子很容易過來填補(bǔ)這個(gè)空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價(jià)鍵中。新的空穴又會(huì)被鄰近的價(jià)電子填補(bǔ)。帶負(fù)電荷的價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)，從效果上看，相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運(yùn)動(dòng)。（與自由電子的運(yùn)動(dòng)不同）6結(jié)論：本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：①帶負(fù)電荷的自由電子②帶正電荷的空穴熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴

3、是成對出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對消失，稱為“復(fù)合”。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。7N型和P型半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體在硅晶體中摻入五價(jià)元素磷,磷原子的五個(gè)價(jià)電子有四個(gè)…多出的一個(gè)電子不受共價(jià)鍵的束縛,室溫下很容易成為自由電子。磷原子失去一個(gè)電子成為正離子（在晶體中不能移動(dòng)）每個(gè)磷原子都提供一個(gè)自由電子，自由電子數(shù)目大大增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空穴數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠電子導(dǎo)電，稱為電子型或N型半導(dǎo)體。8N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：自由電子空穴多數(shù)載流子（簡稱多子）少數(shù)載流子（簡稱少子）只要摻入極少量的雜質(zhì)元素（1／106），多子的濃度將比本征半導(dǎo)體載流子

4、濃度增加近106倍。摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。9(2)P型半導(dǎo)體在硅晶體中摻入三價(jià)元素硼,硼原子與相鄰的四個(gè)硅原子…由于缺少一個(gè)價(jià)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位，這個(gè)空位很容易被鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子填補(bǔ)。硼原子得到一個(gè)電子成為負(fù)離子（在晶體中不能移動(dòng)），失去價(jià)電子的共價(jià)鍵中出現(xiàn)一個(gè)空穴，每個(gè)硼原子都產(chǎn)生一個(gè)空穴，空穴數(shù)目大大增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自由電子數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電，稱為空穴型或P型半導(dǎo)體10P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：空穴自由電子多數(shù)載流子（簡稱多子）少數(shù)載流子（簡稱少子）摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的

5、，其數(shù)量的多少?zèng)Q定于溫度。113.PN結(jié)的形成預(yù)備知識:半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。載流子在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng).在半導(dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔?，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層PN結(jié)Ｐ4012①多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)由于濃度差，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向…擴(kuò)散的結(jié)果，交界面P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子，這樣在交界

6、面處出現(xiàn)由數(shù)量相等的正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場EIN。PN結(jié)13②內(nèi)電場EIN阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)加寬內(nèi)電場EIN增強(qiáng)少子漂移促使阻止EINEIN空間電荷區(qū)變窄內(nèi)電場EIN削弱擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)14小結(jié)：PN結(jié)中同時(shí)存在多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的漂移互相抵消，PN結(jié)中總的電流為零。Ｐ41154.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓偻饧诱螂妷海ㄒ步姓蚱茫┩饧与妶雠c內(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)電子不斷擴(kuò)散到P

7、區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時(shí)稱PN結(jié)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)。164.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓谕饧臃聪螂妷海ㄒ步蟹聪蚱茫┩饧与妶雠c內(nèi)電場方向相同，增強(qiáng)了內(nèi)電場，多子擴(kuò)散難以進(jìn)行，少子在電場作用下形成反向電流IR，因?yàn)槭巧僮悠七\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，IR很小，這時(shí)稱PN結(jié)處于“截止”狀態(tài)。17③PN結(jié)伏安特性a.外加正向電壓較小時(shí)，外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài)b.正向電壓大于“開啟電壓UON”后，i隨著u增大迅速上升。Uon≈0.5V(硅)Uon≈0.1V(鍺)P4218P42c.外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流

8、IR很小。d.反向電壓大于“擊穿電壓U（BR）”時(shí)，