半导体二极管和晶体管1.pptx

4.1 4.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体物质物质半导体的特性：半导体的特性：1导电能力介于导体和绝缘体之间；导电能力介于导体和绝缘体之间；2导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。发生显著变化。典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。第1页/共45页4.1.14.1.1、本征半导体、本征半导体本征半导体是本征半导体是纯净纯净的晶体结构的半导体。的晶体结构的半导体。硅和锗的原子结构简化模型硅和锗的原子结构简化模型+4价电子价电子(Valence Electron)硅、锗原子结构示意图硅、锗原子结构示意图第2页/共45页1.1.本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构硅和锗的共价键结构示意图硅和锗的共价键结构示意图第3页/共45页2本征激发和两种载流子本征激发和两种载流子本征激发产生空穴电子对示意图本征激发产生空穴电子对示意图空穴空穴：电子挣脱共价键：电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后的束缚成为自由电子后，共价键中所留下的空位。，共价键中所留下的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对产生的自由电子和空穴对,统统称载流子称载流子。空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。依次充填空穴来实现的。半导体区别于导体的一个重要特点是空穴的出现。半导体区别于导体的一个重要特点是空穴的出现。第4页/共45页 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于数目很少，故导均参与导电，且运动方向相反。由于数目很少，故导电性很差。电性很差。第5页/共45页4.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。掺入的杂质主要是。掺入的杂质主要是三价或五价元素。三价或五价元素。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。半导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。半导体。第6页/共45页 1.N 1.N型半导体型半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原子它主要由杂质原子提供；提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。能够在本征半导体中释放自由电子的杂质称为能够在本征半导体中释放自由电子的杂质称为施主杂质。施主杂质。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，五价，五价杂质原子也称为杂质原子也称为施主杂质施主杂质。第7页/共45页 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。答：答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即自由电子数等于空穴数加正离子数，所以数相等，即自由电子数等于空穴数加正离子数，所以整个半导体仍然是电中性的整个半导体仍然是电中性的。问题问题：N型半导体是带正电还是带负电？型半导体是带正电还是带负电？第8页/共45页 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，2.P 2.P型半导体型半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空位。一个空位。在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；自自由由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空位很容易俘获电子，使杂质原子成为空位很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。第9页/共45页电子电流空穴电流1 漂移电流漂移电流(Drift Current)4.1.34.1.3、PNPN结结2 扩散电流扩散电流(Diffusion Current)在电场作用下，半导体中的载流子作定向运动称为在电场作用下，半导体中的载流子作定向运动称为飘飘移运动移运动。载流子的飘移运动形成的电流称为。载流子的飘移运动形成的电流称为漂移电流漂移电流。由载流子浓度差（即浓度梯度）引起的载流子的运动称为由载流子浓度差（即浓度梯度）引起的载流子的运动称为扩散扩散运动运动。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。第10页/共45页扩散运动扩散运动P P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N N区。区。N N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N N区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自由电子浓度降低，产生内电场。1 PN1 PN结的形成结的形成 在同一块本征半导体两侧通过掺入不同的杂质在同一块本征半导体两侧通过掺入不同的杂质,分别形分别形成成N N型半导体和型半导体和P P型半导体，则他们的交界面就形成型半导体，则他们的交界面就形成PNPN结。结。第11页/共45页参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了就形成了PNPN结。结。即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、区、自由电子从自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。第12页/共45页 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半导体和导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 第13页/共45页 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。第14页/共45页PN结加正偏时：结加正偏时：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PN结处于导通状态。结处于导通状态。2.PN 结的单向导电性结的单向导电性（1）PN 结正向偏置结正向偏置 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，区的电位，称为加称为加正向偏置正向偏置，简称，简称正正偏偏；反之称为加；反之称为加反向偏置反向偏置，简称简称反偏反偏。第15页/共45页PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。（2）PN 反向偏置反向偏置第16页/共45页 PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，近似截止。具有很小的反向漂移电流，近似截止。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单结具有单向导电性。向导电性。第17页/共45页3.PN结电流方程结电流方程开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压其中其中I IS S 反向饱和电流反向饱和电流UT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K）第18页/共45页 当u 比UT大几倍时即呈现指数变化指数变化。当uUREF时，二极时，二极管导通，管导通，u0=UREF=3V，波形如图，波形如图(d)第44页/共45页【解解】（2）恒压降模型，如图（）恒压降模型，如图（c）当当ui(UREF+UD(on)时，二极管截止，时，二极管截止，u0=ui；当；当uiUREF+UD(on)时，二极管导通，时，二极管导通，u0=UREF+UD(on)=3+0.7=3.7V，波形如图，波形如图(e)第45页/共45页