半导体基础知识讲解.ppt

第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件l1.1 半导体基础知识半导体基础知识l1.2 半导体二极管半导体二极管l1.3 双极型晶体管双极型晶体管l1.4 场效应管场效应管l1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管 （自学了解内容）（自学了解内容）l1.6 集成电路中的元件集成电路中的元件 （自学了解内容）（自学了解内容）1.1 半导体基础知识半导体基础知识 一、半导体及其特点一、半导体及其特点 1.导体、绝缘体和半导体 导体：导体：能够导电的物体叫导体其电阻率很小如金、银、铁和铝等绝缘体：绝缘体：几乎不能导电的物体叫绝缘体其电阻率很大如橡胶、陶瓷、塑 料、玻璃和干木头等半导体：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体叫半导体如硅、锗、硒等2.半导体的特点（1）热敏特性（2）光敏特性 （3）掺杂特性1.1 半导体基础知识半导体基础知识二二.本征半导体本征半导体 定义：纯净的具有晶体结构的半导体硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键共价键紧密结合在一起两个相邻原子共用一对电子图1.1.1 本征半导体结构示意图1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.两种载流子（运载电荷的粒子）两种载流子（运载电荷的粒子）室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。

失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样将空穴看成带正电荷的载流子注意：注意：本征半导体是由热激发产生自由电子和空穴的，并且自由电子本征半导体是由热激发产生自由电子和空穴的，并且自由电子和空穴是成对出现的，它们都参与导电和空穴是成对出现的，它们都参与导电图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1 半导体基础知识半导体基础知识2.载流子的浓度载流子的浓度 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合复合复合复合在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度温度下自由电子和空穴维持一定的浓度本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴对本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象复合：自由电子在运动过程中与空穴相遇，填补空穴复合：自由电子在运动过程中与空穴相遇，填补空穴的现象动态平衡：本征激发产生的自由电子与空穴对与复合动态平衡：本征激发产生的自由电子与空穴对与复合的自由电子与空穴对数目相等的情况的自由电子与空穴对数目相等的情况。

1.1 半导体基础知识半导体基础知识 一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴浓度相等温度越低，载流子并且自由电子与空穴浓度相等温度越低，载流子浓度越低，反之越高浓度越低，反之越高由此可见，在由此可见，在T=0时，本征半导体为绝缘体时，本征半导体为绝缘体1.1 半导体基础知识半导体基础知识三三.杂质半导体杂质半导体定义：在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素主要是通过扩散定义：在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素主要是通过扩散工艺）工艺）1.N型半导体型半导体 在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子图1.1.3 N型半导体1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1 半导体基础知识半导体基础知识2.P2.P型半导体型半导体型半导体型半导体 在在纯纯净净半半导导体体硅硅或或锗锗中中掺掺入入硼硼、铝铝等等3价价元元素素，由由于于这这类类元元素素的的原原子子最最外外层层只只有有3个个价价电电子子，故故在在构构成成的的共共价价键键结结构构中中，由由于于缺缺少少价价电电子子而而形形成成大大量量空空穴穴，这这类类掺掺杂杂后后的的半半导导体体其其导导电电作作用用主主要要靠靠空空穴穴运运动动，称称为为空空穴穴半半导导体体或或P型型半半导导体体，其其中中空空穴穴为为多多数数载载流流子子，热热激激发发形形成成的的自自由由电电子子是是少少数数载载流子。

流子图1.1.4 P型半导体1.1 半导体基础知识半导体基础知识3.比较比较 N N型半导体型半导体型半导体型半导体 P P型半导体型半导体型半导体型半导体多子多子多子多子 自由电子自由电子 空空 穴穴少子少子少子少子 空空 穴穴 自由电子自由电子 注意：注意：无论是无论是P型半导体还是型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性型半导体都是中性的，对外不显电性掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度1.1 半导体基础知识半导体基础知识四四.PN结结 *（重点）（重点）将一块半导体的一侧掺杂成将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PNPN结结结结半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式载流子在电半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式载流子在电场作用下的定向运动称为场作用下的定向运动称为漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动。

在半导体中，如果载流子浓度分布在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为这种运动称为扩散运动扩散运动扩散运动扩散运动1.PN结的形成结的形成1.1 半导体基础知识半导体基础知识图1.1.5 PN结的形成1.1 半导体基础知识半导体基础知识2.PN结的特性结的特性（单向导电性）（单向导电性）2）PN结外加反向电压时处于截止状态结外加反向电压时处于截止状态1）PN结外加正向电压时处于导通状态结外加正向电压时处于导通状态图1.1.6 PN结加正向电压时导通外加电场与内电场方向相反，外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，过漂移运动，N区电子不断扩区电子不断扩散到散到P区，区，P区空穴不断扩散区空穴不断扩散到到N区，形成较大的正向电流，区，形成较大的正向电流，这时称这时称PN结处于结处于导通导通导通导通状态1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1 半导体基础知识半导体基础知识 图1.1.7 PN结加反向电压时截止外加电场与内电场方向相同，增外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，因为是少子漂移运动产生的，漂移电流很小，这时称漂移电流很小，这时称PN结处结处于于截止截止状态。

状态1.1 半导体基础知识半导体基础知识3.PN结的电流方程结的电流方程其中：IS为反向饱和电流1.1 半导体基础知识半导体基础知识4.PN结的伏安特性结的伏安特性1）加正向电压时，若）加正向电压时，若 ，则：，则：2）加反向电压时，若）加反向电压时，若 ，则：，则：图1.1.8 PN结的伏安特性1.1 半导体基础知识半导体基础知识5.反向击穿反向击穿定义：当反向电压超过一定数值U（BR)后，反向电流急剧增加的现象反向击穿按机理不同分齐纳击穿和雪崩击穿齐纳击穿在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿雪崩击穿如果掺杂浓度较低，耗尽层宽度较宽，那么低反向电压下不会产生齐纳击穿当反向电压增加到较大值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对，新产生的电子和空穴经电场加速后又撞出其他价电子，载流子雪崩式的倍增，电流急剧增大，这种击穿称为雪崩击穿势垒电容Cb PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容。

扩散电容CdPN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容1.1 半导体基础知识半导体基础知识结电容结电容(CJ)=势垒电容势垒电容(Cb)+扩散电容扩散电容(Cd)6.电容效应电容效应。