物理课件 半导体13.ppt

1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 半导体三极管1.4 场效应晶体管1.5 光电子器件§1.1 半导体基本知识1.1.1 半导体的特性导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般 都是导体绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡胶、 陶瓷、塑料和石英半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之 间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫 化物、氧化物等半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同 于其它物质的特点例如：• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变1.1.2 本征半导体 一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体现代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们的最 外层电子（价电子）都是四个本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体 点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其 它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原 子之间形成共价键，共用一对价电子硅和锗的晶 体结构：硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除 去价电子 后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚 电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子， 因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的 导电能力很弱。

形成共价键后，每个原子的最外层电子是八 个，构成稳定结构共价键有很强的结合力，使原子规则 排列，形成晶体4+4+4+4二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动 的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足 够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，这 种现象称为本征激发，同时共价键上留下一个空位 ，称为空穴1.载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子本征半导体中存在数量相等的两种载流子， 即自由电子和空穴n电子-空穴对n复合n动态平衡n热平衡浓度n热平衡浓度与温度的关系温度越高，载流子的浓度越高，因此本征半导体 的导电能力越强温度是影响半导体性能的一个 重要的外部因素，这是半导体的一大特点本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。

2. 空穴移动产生的电流1.1.3 杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体 的导电性能发生显著变化其原因是掺杂半导体的 某种载流子浓度大大增加P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为 空穴半导体N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也 称为电子半导体一、N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 ，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相 邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子 ，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为 自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电 的离子每个磷原子给出一个电子，称为施主原 子4+4+5+4多余 电子磷原子N 型半导体中 的载流子是什 么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电 子浓度远大于空穴浓度自由电子称为多数载流子（多子 ），空穴称为少数载流子（少子）二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼 原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时， 产生一个空穴。

这个空穴可 能吸引束缚电子来填补，使 得硼原子成为不能移动的带 负电的离子由于硼原子接 受电子，所以称为受主原子 4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P 型半导体++++++++++++++++++++++++N 型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流但由 于数量的关系，起导电作用的主要是多子近似认为 多子与杂质浓度相等1. 杂质半导体中多子浓度取决于掺杂杂质浓度，少子浓度取决于温度2.杂质半导体呈电中性N:电子数（掺杂+热激发）=空穴（热激发）+正离子P:空穴数（掺杂+热激发）=电子（热激发）+负离子结论1.1.4 PN结的形成在同一片半导体基片 上，分别制造P 型半 导体和N 型半导体，经过载流子的扩散， 在它们的交界面处就 形成了PN 结P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽内电场越强，就使漂移运 动越强，而漂移使空间电 荷区变薄空间电荷区， 也称耗尽层。

漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两 个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间 电荷 区N型区P型区电位UU01、空间电荷区中没有载流子2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中 的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动 ）3、P区中的电子和N区中的空穴（都是少子）数量 有限，因此由它们形成的电流很小注意:1.1.5 PN结的单向导电性外加电压使PN结中：P区接电源正极，N区接电源负极，称为加正向电 压,简称正偏； PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流 到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性， 电流小P区接电源负极，N区接电源正极，称为加反向电压 ，简称反偏 －－－－++++RE一、PN 结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的 扩散加强能够形成较大 的扩散电流IF二、PN 结反向偏置－－－－++++内电场 外电场变厚NP+_内电场被加强，多子的扩 散受抑制。

少子漂移加强 ，但少子数量有限，只能 形成较小的反向电流REIRPN结的单向导电性nPN结正偏时，呈现的电阻很小——导通nPN结反偏时，呈现的电阻很大——截止三、PN结方程1 .定义： PN结两端的外加电压和流过PN结的电流 I之间的关系为PN结方程2 . PN结方程：PN结正偏(且U大于UT几倍以上)时PN结反偏(且∣U∣大于UT几倍以上)时PN结的伏安特性如下图所示：PN结的伏安特性1.1.6 PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由 两方面的因素决定: 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD (1) 势垒电容CB（Barrier Capacitance）势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化 时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所 表现出的电容是势垒电容势垒电容示意图扩散电容：为了形成正向电流（ 扩散电流）,注入P 区的少子（ 电子）在P 区有浓度差，越靠 近PN结浓度越大，即在P 区有 电子的积累同理，在N区有空 穴的积累正向电流大，积累的 电荷多这样所产生的电容就是 扩散电容CD2)扩散电容CD(Diffusion Capacitance)扩散电容示意图v总电容： CJ ＝CD＋ CBvPN结正偏时： CD>> CB， CJ CDvPN结反偏时： CB>> CD， CJ CB§1.2 半导体二极管n1.2.1 二极管的结构与符号n1.2.2 二极管的特性曲线n1.2.3 二极管的主要参数n1.2.4 二极管的电路模型n1.2.5 特殊二极管1.2.1 二极管的结构与符号在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。

二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类半导体二极管（Diode）的结构二极管的代表符号PN阳极阴极半导体二极管图片处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象 限的是反向伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线可用 下式表示1.2.2 二极管的特性曲线(1) 正向特性硅二极管的死区电压Uth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Uth=0.1 V左右 当0＜U＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或门槛电压当U＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数 规律增长U导通电压 UDSi 0.7VGe 0.3V(2) 反向特性当UBR＜U＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称 反向饱和电流IS 当U≥UBR时，反向电流急剧增加， UBR称为反向击穿电 压 UUUU在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆 滑，反向饱和电流较大 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突 然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆二极管的反向击穿v热击穿——不可逆v 雪崩击穿：少子与价电子相碰撞，载流子雪 崩式的倍增v 齐纳击穿：电场直接破坏共价键，使电子 脱离束缚1．最大整流电流I FM ：指二极管长期运行时， 允许通过的最大正向平均电流。

其大小由PN结 的结面积和外界散热条件决定2．最大反向工作电压URM ：二极管安全运行时所能承受的最大反向电压手册上一般取反 向击穿电压UBR的一半作为URM 1.2.3 二极管的主要参数3．反向电流IR :二极管未击穿时反向电流 IR 值越小，二极管单向导电性越好IR 的值随温度变化而改变，使用时要加以注意 4. 最高工作频率fM：fM 由PN结的结电容大 小决定二极管的工作频率超过fM，单向导电性变差RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管半波整流1. 理想模型1.2.4 二极管的电路模型含二极管电路的计算1、一般可将二极管视为理想元件（死区电压、导通电压均认为是零，反向电流为零） I（mA）正向反向U（BR）U（V）死区电压I（mA）正向U（BR）U（V）反向（1）正向导通时，二极管元件上的正向导通压降可认为 是零，正向电阻为零（将其视为短路）（2）反向截止时，二极管反向电阻无穷大，反向电流为 零（开路）PNPN判断二极管工作状态的方法（1）n对于含一个二极管的电路，首先假设二极管断开，求 得二极管阳极与阴极间电压如该电压大于导通电压 ，则二极管导通，两端电压为二极管的导通电压；如 该电压小于导通电压，则二极管截止。

解：将D开路，求其两端开路电压U，若U>0，则D导通；反之D截止故D导通，Uo=0V +4V例1 已知D为理想二极管，求Uo=？ +4V故D截止，Uo= -2V 例2 若E= 4V，求Uo=？ +4V+4V例3 若将E改为ui，求uo解：+例4 已知 ，画 的波形 解：思考：画电阻两端电压的波形？ RDE553判断二极管工作状态的方法(2)n如果电路中含多个二极管：nD共阴极接法：若断开两管均有正偏大于导通电压， 则阳极电位最高者优先导通，阴极被钳位，据此电位 再判其他管子；若断开均为反偏则均截止nD共阳极接法：若断开两管均有正偏大于导通电压， 则阴极电位最低者优先导通，阳极被钳位，据此电位 再判其他管子；若断开均为反偏则均截止解：将两个二极管全部断开，求开路电压例5 求输出电压Uo D1D2++。