電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)第6章(海大)

1、第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 6.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 6.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 第二節(jié)第二節(jié) PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管結(jié)及半導(dǎo)體二極管 6.2.1 異型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象異型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象 6.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?6.2.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 6.2.4 半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用 第三節(jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體晶體管半導(dǎo)體晶體管 6.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及類型晶體管的結(jié)構(gòu)及類型 6.3.2 晶體管的放大作用晶體管的放大作用

2、 6.3.3 晶體管的特性曲線晶體管的特性曲線 6.3.4 晶體管的主要參數(shù)晶體管的主要參數(shù)第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性1. 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的物理特性半導(dǎo)體的物理特性物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電性能分為物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電性能分為 導(dǎo)體：導(dǎo)電能力良好的物質(zhì)。導(dǎo)體：導(dǎo)電能力良好的物質(zhì)。 絕緣體：導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)。絕緣體：導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)。 半導(dǎo)體：是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之半導(dǎo)體：是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之 間間的物質(zhì)，如硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧的物質(zhì)，如硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧化物?；?。第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半

3、導(dǎo)體器件的基本特性 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨(dú)特的性質(zhì)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨(dú)特的性質(zhì)。溫度升高時(shí)，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著溫度升高時(shí)，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增加；增加；在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的“雜質(zhì)雜質(zhì)”元元素，它的電導(dǎo)率就會(huì)成千上萬倍地增長；素，它的電導(dǎo)率就會(huì)成千上萬倍地增長；純凈的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯提純凈的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯提高。高。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)原子的組成：原子的組成： 帶正電的原子核帶正電的原子核 若干個(gè)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的電子若干個(gè)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的帶

4、負(fù)電的電子 且整個(gè)原子呈電中性。且整個(gè)原子呈電中性。半導(dǎo)體器件的材料：半導(dǎo)體器件的材料： 硅（硅（Silicon-SiSilicon-Si）：四價(jià)元素，硅的原子序）：四價(jià)元素，硅的原子序數(shù)是數(shù)是1414，外層有，外層有4 4個(gè)電子。個(gè)電子。 鍺（鍺（Germanium-GeGermanium-Ge）：也是四價(jià)元素，鍺的）：也是四價(jià)元素，鍺的原子序數(shù)是原子序數(shù)是3232，外層也是，外層也是4 4個(gè)電子。個(gè)電子。 第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 簡化原子結(jié)構(gòu)模型如圖的簡化形式。簡化原子結(jié)構(gòu)模型如圖的簡化形式。+4慣性核慣性核價(jià)電子價(jià)電子 硅和鍺的簡化原子模型硅和鍺的簡化原子

5、模型第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：共價(jià)鍵共價(jià)鍵: :由相鄰兩個(gè)原子各拿出一個(gè)價(jià)電子組成價(jià)電子對(duì)所由相鄰兩個(gè)原子各拿出一個(gè)價(jià)電子組成價(jià)電子對(duì)所構(gòu)成的聯(lián)系。構(gòu)成的聯(lián)系。下圖是晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的平面示意圖。下圖是晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的平面示意圖。晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵共價(jià)鍵第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（Intrinsic SemiconductorIntrinsic Semiconductor）

6、 純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。 物質(zhì)導(dǎo)電能力的大小取決于其中能參與導(dǎo)電的粒子物質(zhì)導(dǎo)電能力的大小取決于其中能參與導(dǎo)電的粒子載流子的多少。載流子的多少。 本征半導(dǎo)體在絕對(duì)零度（本征半導(dǎo)體在絕對(duì)零度（T=0KT=0K相當(dāng)于相當(dāng)于T=T=273273）時(shí)，）時(shí)，相當(dāng)于絕緣體。相當(dāng)于絕緣體。 在室溫條件下，本征半導(dǎo)體便具有一定的導(dǎo)電能力。在室溫條件下，本征半導(dǎo)體便具有一定的導(dǎo)電能力。 第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子自由電子自由電子空穴空穴空穴和自由電子同時(shí)參加導(dǎo)電，是半導(dǎo)體的重要特點(diǎn)空

7、穴和自由電子同時(shí)參加導(dǎo)電，是半導(dǎo)體的重要特點(diǎn) 價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子的同時(shí)，價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子的同時(shí)，在原來的共價(jià)鍵位置上留下了一個(gè)空位，這個(gè)空在原來的共價(jià)鍵位置上留下了一個(gè)空位，這個(gè)空位叫做空穴。位叫做空穴。 空穴帶正電荷?？昭◣д姾?。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 在本征半導(dǎo)體中，激發(fā)出一個(gè)自由電子，同時(shí)便產(chǎn)生在本征半導(dǎo)體中，激發(fā)出一個(gè)自由電子，同時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)空穴。電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生，稱為電子空一個(gè)空穴。電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生，稱為電子空穴對(duì)。穴對(duì)。 半導(dǎo)體中共價(jià)鍵分裂產(chǎn)生電子空穴對(duì)的過程叫做本征半導(dǎo)體中共價(jià)鍵分裂產(chǎn)生電子空穴對(duì)

8、的過程叫做本征激發(fā)。激發(fā)。 產(chǎn)生本征激發(fā)的條件：加熱、光照及射線照射。產(chǎn)生本征激發(fā)的條件：加熱、光照及射線照射。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性BA空穴空穴自由電子自由電子圖圖 晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價(jià)鍵共價(jià)鍵空穴的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是價(jià)電子填補(bǔ)空穴而形成的?？昭ǖ倪\(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是價(jià)電子填補(bǔ)空穴而形成的。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移動(dòng)，因由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移動(dòng)，因此，空穴是一種載流子。此，空穴是一種載流子。 半導(dǎo)體中有兩種載流子：半導(dǎo)體中有兩種

9、載流子：自由電子載流子（簡自由電子載流子（簡稱電子）稱電子）和和空穴載流子（簡稱空穴）空穴載流子（簡稱空穴），它們均，它們均可在電場作用下形成電流?？稍陔妶鲎饔孟滦纬呻娏鳌５诹碌诹?半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 半導(dǎo)體由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么，半導(dǎo)體由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么，電子空穴對(duì)是否會(huì)越來越多，電子和空穴濃度是電子空穴對(duì)是否會(huì)越來越多，電子和空穴濃度是否會(huì)越來越大呢？否會(huì)越來越大呢？ 實(shí)驗(yàn)表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃實(shí)驗(yàn)表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)定值。度都保持一個(gè)定值。 半導(dǎo)體中存在半導(dǎo)體中存在載流子的產(chǎn)生過程載流

10、子的產(chǎn)生過程載流子的復(fù)合過程載流子的復(fù)合過程第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性綜上所述：綜上所述：(1)(1)半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴，電半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。子帶負(fù)電，空穴帶正電。(2)(2)本征半導(dǎo)體中，電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生，本征半導(dǎo)體中，電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生，ni = pini = pi。(3)(3)半導(dǎo)體中，同時(shí)存在載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程。半導(dǎo)體中，同時(shí)存在載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性a:空穴帶正電量空穴帶正電量b：空穴是半導(dǎo)體中所特有的帶單位正電荷的：空穴

11、是半導(dǎo)體中所特有的帶單位正電荷的粒子，與電子電量相等，符號(hào)相反粒子，與電子電量相等，符號(hào)相反空穴：空穴：自由電子載流子：帶單位負(fù)電自由電子載流子：帶單位負(fù)電空穴載流子空穴載流子 ：帶單位正電：帶單位正電1、在本征激發(fā)（或熱激發(fā)）中，電子，空穴成對(duì)產(chǎn)生。、在本征激發(fā)（或熱激發(fā)）中，電子，空穴成對(duì)產(chǎn)生。2、在常溫下本征半導(dǎo)體內(nèi)有兩種載流子。、在常溫下本征半導(dǎo)體內(nèi)有兩種載流子。載流子：物體內(nèi)運(yùn)載電荷的粒子，決定物體的導(dǎo)電能力。載流子：物體內(nèi)運(yùn)載電荷的粒子，決定物體的導(dǎo)電能力。在外電場的作用下，電子、空穴運(yùn)動(dòng)方向相反，對(duì)在外電場的作用下，電子、空穴運(yùn)動(dòng)方向相反，對(duì)電流的貢獻(xiàn)是疊加的。電流的貢獻(xiàn)是疊加的

12、。注意：注意：第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性本征激發(fā)本征激發(fā)電子電子空穴空穴E E g g1電子電子 空穴空穴隨機(jī)碰撞隨機(jī)碰撞復(fù)合復(fù)合 （自由電子釋放能量）電子空穴對(duì)消失（自由電子釋放能量）電子空穴對(duì)消失23本征激發(fā)本征激發(fā)動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡復(fù)合復(fù)合 是電子空穴對(duì)的兩種矛盾運(yùn)動(dòng)形式。是電子空穴對(duì)的兩種矛盾運(yùn)動(dòng)形式。 在在本本征征半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中電電子子和和空空穴穴的的濃濃度度總總是是相相等等的的若若設(shè)設(shè) ni為為電電子子濃濃度度， pi為為空空穴穴濃濃度度則則 ni=pi本征載流子濃度：本征載流子濃度：第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)

13、半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大，本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大，不能直接用來制造半導(dǎo)體器件。不能直接用來制造半導(dǎo)體器件。本征半導(dǎo)體的物理性質(zhì)：純凈的半導(dǎo)體中摻入微量元素，導(dǎo)電本征半導(dǎo)體的物理性質(zhì)：純凈的半導(dǎo)體中摻入微量元素，導(dǎo)電能力顯著提高。能力顯著提高。摻入的微量元素?fù)饺氲奈⒘吭亍半s質(zhì)雜質(zhì)”。摻入了摻入了“雜質(zhì)雜質(zhì)”的半導(dǎo)體稱為的半導(dǎo)體稱為“雜質(zhì)雜質(zhì)”半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性常用的雜質(zhì)元素常用的雜質(zhì)元素三價(jià)的硼、鋁、銦、鎵三價(jià)的硼、鋁、銦、鎵五價(jià)的砷、磷、銻五價(jià)的砷、磷、銻通過控制摻入的雜質(zhì)

14、元素的種類和數(shù)量來制成各種各通過控制摻入的雜質(zhì)元素的種類和數(shù)量來制成各種各樣的半導(dǎo)體器件。樣的半導(dǎo)體器件。 雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體和和P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性N型半導(dǎo)體4 4 4 5 4 4 4 4 4 在在本本征征半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中摻摻入入 5 5 價(jià)價(jià)元元素素的的雜雜質(zhì)質(zhì)（砷砷、磷磷、銻銻）就就成成為為 NN 型型雜雜質(zhì)質(zhì)半半導(dǎo)導(dǎo)體體。雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子能能提提供供多多余余電電子子稱稱為為施施主主雜雜質(zhì)質(zhì)室溫T=300kN型型雜雜質(zhì)質(zhì)半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的特特點(diǎn)點(diǎn)：+5第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性

15、 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在本本征征半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中摻摻入入 3 3 價(jià)價(jià)元元素素 （如如 B 硼硼） ，就就成成為為 P P 型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體。3 價(jià)價(jià) 雜雜 質(zhì)質(zhì) 原原 子子 接接 受受 電電 子子 負(fù)負(fù) 離離 子子 受受 主主 雜雜 質(zhì)質(zhì) （ acceptor impurity） （ 受受 主主 原原 子子 ） 位位 于于 受受 主主 能能 級(jí)級(jí) 產(chǎn)產(chǎn) 生生 空空 位位 （ 位位 于于 價(jià)價(jià) 帶帶 ）室 溫T=300k帶帶負(fù)負(fù)電電離離子子與與帶帶正正電電空空穴穴間間有有吸吸引引力力，即即空空穴穴是是受受束束縛縛的的，只只能能在在負(fù)負(fù)離離子子附附近近活活動(dòng)動(dòng)。但但只只要要賦賦予予它它一一定定

16、的的能能量量，它它掙掙脫脫束束縛縛運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)到到遠(yuǎn)遠(yuǎn)離離負(fù)負(fù)離離子子的的地地方方，該該空空穴穴就就和和本本征征激激發(fā)發(fā)產(chǎn)產(chǎn)生生的的空空穴穴一一樣樣可可以以自自由由運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)。對(duì)對(duì)半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的導(dǎo)導(dǎo)電電有有貢貢獻(xiàn)獻(xiàn)。P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的特特點(diǎn)點(diǎn)：2 2 在在室室溫溫下下3 3價(jià)價(jià)受受主主原原子子產(chǎn)產(chǎn)生生的的空空位位全全部部可可被被激激發(fā)發(fā)為為價(jià)價(jià)帶帶中中的的空空穴穴，故故P P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中空空穴穴數(shù)數(shù)很很高高，主主要要靠靠空空穴穴導(dǎo)導(dǎo)電電。稱稱為為空空穴穴半半導(dǎo)導(dǎo)體體。4 4 4 3 4 4 4 4 4 -3 3 P P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中也也有有本本征征激激發(fā)發(fā)而而產(chǎn)產(chǎn)生生電電子子空空

17、穴穴對(duì)對(duì)，但但由由于于復(fù)復(fù)合合作作用用，電電子子數(shù)數(shù)目目很很小小，空空穴穴的的濃濃度度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大大于于電電子子濃濃度度。P P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體： 多多子子 空空穴穴 且且：多多子子濃濃度度pi 少少子子 電電子子 少少子子濃濃度度ni第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性綜上所述：綜上所述：(1)本征半導(dǎo)體中加入五價(jià)雜質(zhì)元素，便形成本征半導(dǎo)體中加入五價(jià)雜質(zhì)元素，便形成N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。N型型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，此外還半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)電的正離子。有不參加導(dǎo)電的正離子。(2)本征半導(dǎo)體中加入三價(jià)雜質(zhì)元素，便形成

18、本征半導(dǎo)體中加入三價(jià)雜質(zhì)元素，便形成P型半導(dǎo)體。其中型半導(dǎo)體。其中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)電的負(fù)離子。電的負(fù)離子。(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度決定于雜質(zhì)濃度，少子由本征激雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度決定于雜質(zhì)濃度，少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度有關(guān)。發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度有關(guān)。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性(3) 漂移電流與擴(kuò)散電流漂移電流與擴(kuò)散電流引起載流子定向運(yùn)動(dòng)的原因有兩種：引起載流子定向運(yùn)動(dòng)的原因有兩種：由于電場而引起的定向運(yùn)動(dòng)由于電場而引起的定向運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)（漂移電流）漂移運(yùn)動(dòng)（漂移電流

19、）由于載流子的濃度梯度而引由于載流子的濃度梯度而引起的定向運(yùn)動(dòng)起的定向運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散電流）（擴(kuò)散電流） 漂移電流漂移電流 在電子濃度為在電子濃度為n,空穴濃度為空穴濃度為p的半導(dǎo)的半導(dǎo)體兩端外加電壓體兩端外加電壓V，在電場，在電場E的作用下，的作用下，空穴將沿電場方向運(yùn)動(dòng)，電子將沿與電空穴將沿電場方向運(yùn)動(dòng)，電子將沿與電場相反方向運(yùn)動(dòng)：場相反方向運(yùn)動(dòng)：EV第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 擴(kuò)散擴(kuò)散 電電 流流擴(kuò)擴(kuò)散散電電流流是是半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中載載流流子子的的一一種種特特殊殊運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)形形式式，是是由由于于載載流流子子的的濃濃度度差差而而引引起起的的，擴(kuò)擴(kuò)散散運(yùn)運(yùn)

20、動(dòng)動(dòng)總總是是從從濃濃度度高高的的區(qū)區(qū)域域向向濃濃度度小小的的區(qū)區(qū)域域進(jìn)進(jìn)行行，光光照照 N型半導(dǎo)體x第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性NP+- 在在一一塊塊 N 型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體（or P type） ，用用雜雜質(zhì)質(zhì)補(bǔ)補(bǔ)償償?shù)牡姆椒椒ǚ〒綋饺肴胍灰欢ǘ〝?shù)數(shù)量量的的 3 3 價(jià)價(jià)元元素素（o or r 5 5 價(jià)價(jià)元元素素）將將這這一一部部分分區(qū)區(qū)域域轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成 P P 型型（或或 NN 型型） ，則則在在它它們們的的界界面面處處便便生生成成 PN 結(jié)結(jié)。PN 結(jié)結(jié)是是晶晶體體二二極極管管及及其其它它半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，在在集集成成電電路路中中極極其其重重要要

21、。ENP+-一、半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象一、半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象第二節(jié) PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性一一PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡過程和接觸電位結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡過程和接觸電位（一） 空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)(space charge region) 在在NN型型和和P P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的界界面面兩兩側(cè)側(cè)，明明顯顯地地存存在在著著電電子子和和空空穴穴的的濃濃度度差差，導(dǎo)導(dǎo)致致載載流流子子的的擴(kuò)擴(kuò)散散運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)：P P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中空空穴穴NN 區(qū)區(qū)擴(kuò)擴(kuò)散散與與NN 區(qū)區(qū)中中電電子子復(fù)復(fù)合合 P P區(qū)區(qū)留留下下負(fù)負(fù)離離子子NN區(qū)區(qū)生生成成正正離離子子 NN 型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體

22、中中電電子子（多多子子）P P 區(qū)區(qū)擴(kuò)擴(kuò)散散與與 P P 區(qū)區(qū)空空穴穴復(fù)復(fù)合合 NN 區(qū)區(qū)留留下下正正離離子子P P 區(qū)區(qū)生生成成負(fù)負(fù)離離子子。 NN 區(qū)區(qū)則則為為正正 P P 區(qū)區(qū)則則為為負(fù)負(fù)形形成成內(nèi)內(nèi)建建電電場場 E伴伴隨隨著著擴(kuò)擴(kuò)散散和和復(fù)復(fù)合合運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)在在PN結(jié)結(jié)界界面面附附近近形形成成一一個(gè)個(gè)空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)： 內(nèi)內(nèi)建建電電場場 形形成成少少子子的的漂漂移移運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng) NN區(qū)區(qū)中中空空穴穴P P區(qū)區(qū) P P區(qū)區(qū)中中電電子子NN區(qū)區(qū)消弱消弱內(nèi)建電場內(nèi)建電場ENP+-ENP+- 顯顯然然半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中多多子子的的擴(kuò)擴(kuò)散散運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)和和少少子子的的漂漂移移運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)是是一一對(duì)對(duì)矛矛盾盾運(yùn)

23、運(yùn)動(dòng)動(dòng)的的兩兩個(gè)個(gè)方方面面：多多 子子 擴(kuò)擴(kuò) 散散 運(yùn)運(yùn) 動(dòng)動(dòng)空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)內(nèi)內(nèi)建建電電場場E E少少子子漂漂移移結(jié)結(jié)果果：多多子子擴(kuò)擴(kuò)散散運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng) 少少子子的的漂漂移移 擴(kuò)擴(kuò)散散電電流流 漂漂移移電電流流熱平衡（動(dòng)態(tài)平衡）熱平衡（動(dòng)態(tài)平衡） PN 結(jié)結(jié)中中總總電電流流為為零零。空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)寬寬度度穩(wěn)穩(wěn)定定形形成成 PN 結(jié)結(jié)。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性NP+-E偏偏置置：在在P PNN結(jié)結(jié)兩兩端端外外接接電電源源電電壓壓 正正向向偏偏置置：P P 區(qū)區(qū)接接正正電電源源，NN 區(qū)區(qū)接接負(fù)負(fù) 反反向向偏偏置置：NN 區(qū)區(qū)接接正正，P P 區(qū)區(qū)接接負(fù)負(fù)二、

24、二、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦缘诹碌诹?半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性1. 1. 正向偏置，正向電流正向偏置，正向電流RUNP+-U UiD正正向向偏偏置置外外電電場場削削弱弱內(nèi)內(nèi)電電場場 勢(shì)勢(shì)壘壘降降低低阻阻擋擋層層變變窄窄破破壞壞P PNN結(jié)結(jié)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)平平衡衡擴(kuò)擴(kuò)散散運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)占占優(yōu)優(yōu)勢(shì)勢(shì)漂漂移移減減弱弱擴(kuò)擴(kuò)散散電電流流Di較較大大。擴(kuò)散電流的全過程：擴(kuò)散電流的全過程：電電子子由由電電源源負(fù)負(fù)極極NN 區(qū)區(qū) P PNN 結(jié)結(jié)P P 區(qū)區(qū)P P 區(qū)區(qū)空空穴穴復(fù)復(fù)合合電電源源正正極極向向 P P 區(qū)區(qū)提提供供空空穴穴擴(kuò)擴(kuò)散散iDiDiDiD+_第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基

25、本特性半導(dǎo)體器件的基本特性NP+-2. 2. 反向偏置，反向電流反向偏置，反向電流RUUiRU NP+-iRiRiRiR反反向向偏偏置置：外外電電場場與與內(nèi)內(nèi)建建電電場場方方向向一一致致P PNN 結(jié)結(jié)勢(shì)勢(shì)壘壘提提高高 （阻阻擋擋層層變變寬寬）漂漂移移占占優(yōu)優(yōu)勢(shì)勢(shì)擴(kuò)擴(kuò)散散減減弱弱漂漂移移電電流流 iR很很小小。 由于由于反向漂移電流是少數(shù)載流子漂移形成的電流反向漂移電流是少數(shù)載流子漂移形成的電流，而少數(shù)載流，而少數(shù)載流 子濃度很低，故子濃度很低，故反向電流遠(yuǎn)小于正向電流反向電流遠(yuǎn)小于正向電流，即，即 iD|iR| +_第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 PN結(jié)外加正向電壓結(jié)

26、外加正向電壓PN結(jié)外加正向電壓時(shí)（結(jié)外加正向電壓時(shí)（P正、正、N負(fù)），空間電荷區(qū)變窄。負(fù)），空間電荷區(qū)變窄。不大的正向電壓，產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。不大的正向電壓，產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。外加電壓的微小變化，擴(kuò)散電流變化較大。外加電壓的微小變化，擴(kuò)散電流變化較大。 第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性PN結(jié)加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)變寬，自建電場增強(qiáng)，多結(jié)加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)變寬，自建電場增強(qiáng)，多子的擴(kuò)散電流近似為零。子的擴(kuò)散電流近似為零。 反向電流很小，它由少數(shù)載流子形成，與少子濃度成正比。反向電流很小，它由少數(shù)載流子形成，與少子濃度成正比。少子的值與外加電壓無關(guān)，因此反向電

27、流的大小與反向電少子的值與外加電壓無關(guān)，因此反向電流的大小與反向電壓大小基本無關(guān)，故稱為反向飽和電流。壓大小基本無關(guān)，故稱為反向飽和電流。溫度升高時(shí)，少子值迅速增大，所以溫度升高時(shí)，少子值迅速增大，所以PN結(jié)的反向電流受溫結(jié)的反向電流受溫度影響很大。度影響很大。 PN結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓 第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性結(jié)論結(jié)論：PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕航Y(jié)的單向?qū)щ娦裕?PN結(jié)加正向電壓產(chǎn)生大的正向電流，結(jié)加正向電壓產(chǎn)生大的正向電流， PN結(jié)導(dǎo)電。結(jié)導(dǎo)電。 PN結(jié)加反向電壓產(chǎn)生很小的反向飽和電流，近似為零，結(jié)加反向電壓產(chǎn)生很小的反向飽和電流，近似為零， PN結(jié)不導(dǎo)電。

28、結(jié)不導(dǎo)電。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性定量描繪定量描繪PN結(jié)兩端電壓和流過結(jié)的電流的關(guān)系結(jié)兩端電壓和流過結(jié)的電流的關(guān)系的曲線的曲線PN結(jié)的伏安特性。結(jié)的伏安特性。根據(jù)理論分析，根據(jù)理論分析，PN結(jié)的伏安特性方程為結(jié)的伏安特性方程為) 1(kTqUSeII外加電壓外加電壓流過流過PN結(jié)結(jié)的電流的電流電子電荷量電子電荷量q =1.610-19C反向飽和電流反向飽和電流絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度(K)玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)k =1.3810-23J/K自然對(duì)數(shù)的底自然對(duì)數(shù)的底3、 PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性令令 )1( kTq

29、USeIITUqkT 在常溫下，在常溫下，T = 300K， 則則)1( TUUSeIImVqkTUT26106 . 13001038. 11923 當(dāng)當(dāng)U大于大于UT數(shù)倍數(shù)倍TUUSeII 1 TUUe即正向電流隨正向電壓的增加以指數(shù)規(guī)律迅速增大。即正向電流隨正向電壓的增加以指數(shù)規(guī)律迅速增大。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性外加反向電壓時(shí)，外加反向電壓時(shí)，U為負(fù)值，當(dāng)為負(fù)值，當(dāng)|U|比比UT大幾倍時(shí)，大幾倍時(shí)， 1TUUe)1( TUUSeIII-IS即加反向電壓時(shí)，即加反向電壓時(shí)，PN結(jié)只流過很小的反向飽和結(jié)只流過很小的反向飽和電流電流。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本

30、特性半導(dǎo)體器件的基本特性 曲線曲線OD段段表示表示PN結(jié)結(jié)正向偏置時(shí)的伏安特正向偏置時(shí)的伏安特性，稱為性，稱為正向特性正向特性； 曲線曲線OB段段表示表示PN結(jié)結(jié)反向偏置時(shí)的伏安特反向偏置時(shí)的伏安特性，稱為性，稱為反向特性反向特性。U（mV）I（mA）0圖圖 PN結(jié)的理論伏安特性結(jié)的理論伏安特性DT=25B-IS（V）0.2550 75 100(uA)0.511.52l畫出畫出PN結(jié)的理論伏安特結(jié)的理論伏安特性曲線。性曲線。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 加大加大PN結(jié)的反向電壓結(jié)的反向電壓到某一值時(shí)，反向電到某一值時(shí)，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為象

31、稱為PN結(jié)擊穿結(jié)擊穿，發(fā)，發(fā)生擊穿所需的電壓稱生擊穿所需的電壓稱為為擊穿電壓擊穿電壓，如圖所，如圖所示。示。 反向擊穿的特點(diǎn)反向擊穿的特點(diǎn)：反：反向電壓增加很小，反向電壓增加很小，反向電流卻急劇增加。向電流卻急劇增加。UBRU（V）I（mA）0圖圖4-6 PN結(jié)反向擊穿結(jié)反向擊穿第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性4、 PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性+-RUU+_iR(1) 勢(shì)壘電容PN 結(jié)結(jié)反反偏偏U空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)Q U +-+ +Q- -Q+ +U 第六章第六

32、章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性載 流 子 濃度。 。 。QpQn. . PNU+U-。 。 。 。 。 。 。. . . .（2）擴(kuò)散電容）擴(kuò)散電容第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型 在在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。三大類。 (1) 點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。變頻等高頻電路。(a)(a

33、)點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖三、半導(dǎo)體二極管三、半導(dǎo)體二極管第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 PN結(jié)面積大，用于工結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。頻大電流整流電路。(c)(c)平面型平面型陰極陰極引線引線陽極陽極引線引線PNP 型支持襯底型支持襯底 往往用于集成電往往用于集成電路制造中。路制造中。PN 結(jié)面積結(jié)面積可大可小，用于高頻整可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。流和開關(guān)電路中。n (3) 平面型二極管平面型二極管n (2)面接觸型二極管面接觸型二極管n(4) 二極管的代表符號(hào)二極管的代表符號(hào)(b)(b)面接觸型面接觸型陽極陽極陰極陰極

34、第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性2. 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 二極管的伏安特性的測出。二極管的伏安特性的測出。VmAVDRRW（a）測正向特性）測正向特性VmAVDRRW（b）測反向特性）測反向特性第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性n二極管的伏安特性曲線可用下式表示二極管的伏安特性曲線可用

35、下式表示)1(/ TDUUSDeIi(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD（b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲線伏安特性曲線iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）7520（c c）2AP152AP15的的伏安特性曲線伏安特性曲線iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 正向特性正向特性 死區(qū)電壓：死區(qū)電壓：硅管硅管 0.5V 鍺管鍺管 0.1V 線性區(qū)：線性區(qū)：硅管硅管 0.6V1V 鍺管鍺管 0.

36、2V0.5V 對(duì)溫度變化敏感：對(duì)溫度變化敏感： 溫度升高溫度升高正向特性曲線左移正向特性曲線左移 溫度每升高溫度每升高1正向壓降正向壓降 減小約減小約2mV。(a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性正向正向特性特性CDoBAUBRuDiD第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 反向特性反向特性 反向電流：反向電流：很小。很小。 硅管硅管 0.1微安微安 鍺管鍺管 幾十個(gè)微安幾十個(gè)微安 受溫度影響大：受溫度影響大： 溫度每升高溫度每升高10 反向電流增加約反向電流增加約1倍。倍。 反向擊穿特性反向擊穿特性 反向擊穿反向擊穿UBR:幾十伏以上。幾十伏以上。(a)二極管理論伏安特性

37、二極管理論伏安特性反向反向擊穿擊穿特性特性CDoBAUBRuDiD反向反向特性特性第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性1. 最大整流電流最大整流電流 IF： 允許最大正向平均電流。允許最大正向平均電流。 （其大小與面積、散熱有關(guān)）（其大小與面積、散熱有關(guān)）2. 最最大大反反向向工工作作電電壓壓 UR： 二二極極管管上上允允許許的的最最大大反反向向電電壓壓 URU（BR） 3. 反反向向電電流流 IR：擊擊穿穿前前的的反反向向電電流流： IRIS4. 最最 高高 工工 作作 頻頻 率率 fm:最最 高高 允允 許許 工工 作作 頻頻 率率fm 與與 CJCT CD有有 關(guān)關(guān) C

38、J 對(duì)對(duì) PN 結(jié)結(jié) 的的 旁旁 路路 作作 用用 ， 使使 單單 向向 導(dǎo)導(dǎo) 電電 性性 能能 變變 壞壞 。3. 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性4. 二極管的等效電路及應(yīng)用二極管的等效電路及應(yīng)用 二極管特性曲線的非線性，給二極管電路的分二極管特性曲線的非線性，給二極管電路的分析帶來一定困難。為了簡化分析，常常要做一析帶來一定困難。為了簡化分析，常常要做一些近似處理，可用某些線性電路元件來等效二些近似處理，可用某些線性電路元件來等效二極管，畫出二極管的等效電路。極管，畫出二極管的等效電路。最常用的近似方法有二種。最常用的近似方法有二種。

39、第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 理想二極管等效電路理想二極管等效電路uDiDoDK理想二極管等效電路理想二極管等效電路如果二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓，二如果二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于和它串聯(lián)的電壓，二極管截止時(shí)的反向電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與之并聯(lián)的電流，則可以忽極管截止時(shí)的反向電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與之并聯(lián)的電流，則可以忽略二極管的正向壓降和反向電流，把二極管理想化為一個(gè)開略二極管的正向壓降和反向電流，把二極管理想化為一個(gè)開關(guān)，如圖所示。關(guān)，如圖所示。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 考慮正向壓降的等效電路考慮正向壓降的等效電路 在二極管充分導(dǎo)通

40、且工作電流不是很大時(shí)，在二極管充分導(dǎo)通且工作電流不是很大時(shí)，二極管的正向壓降二極管的正向壓降UD變化不大（例如硅管約變化不大（例如硅管約為為0.60.8V），因此近似認(rèn)為二極管正向?qū)В?，因此近似認(rèn)為二極管正向?qū)〞r(shí)有一個(gè)固定的管壓降通時(shí)有一個(gè)固定的管壓降UD（硅管?。ü韫苋?.7V，鍺管取鍺管取0.2V），于是可用一固定電壓源來等），于是可用一固定電壓源來等效正向?qū)ǖ亩O管。效正向?qū)ǖ亩O管。 當(dāng)外加電壓當(dāng)外加電壓U0時(shí)，二極管時(shí)，二極管Dl、D3導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合；導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合；D2、D4截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開，如圖截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開，如圖 (b)所示。因此輸出電所示。因此輸出

41、電壓壓uO = u。uo+_u+_RLD4D2 D1D3ioAB（a）uuo+_RLD4D2 D1D3ioAB（b）+-第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 當(dāng)當(dāng)u 0且且uUR+UD時(shí)，時(shí)，二極管二極管D導(dǎo)通，開關(guān)閉合，輸出電壓導(dǎo)通，開關(guān)閉合，輸出電壓UO = UR十十UD。 當(dāng)當(dāng)uUR+UD時(shí)，二極管時(shí)，二極管D截止，開關(guān)斷開，輸出截止，開關(guān)斷開，輸出電壓電壓uO=u。（b）第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 畫出畫出uO的波形。電路將輸出電壓限制在的波形。電路將輸出電壓限制在UR+UD以以下，可以采用理想二極管等效電路來進(jìn)行分析，下，可以采用理想二極

42、管等效電路來進(jìn)行分析，那么那么uO的波形將近似在的波形將近似在UR電壓以上削頂。電壓以上削頂。（b）t （c）第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性4. 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管亦稱齊納二極管，與一般二穩(wěn)壓二極管亦稱齊納二極管，與一般二極管不同之處是它正常工作在極管不同之處是它正常工作在PN結(jié)的結(jié)的反向擊穿區(qū)。因其具有穩(wěn)定電壓作用，反向擊穿區(qū)。因其具有穩(wěn)定電壓作用，故稱為穩(wěn)壓管。故稱為穩(wěn)壓管。 穩(wěn)壓管的符號(hào)和特性曲線如圖所示。穩(wěn)壓管的符號(hào)和特性曲線如圖所示。第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特性半導(dǎo)體器件的基本特性 它的伏安特性與二極管基本相同，只是穩(wěn)壓管正常它的伏安特性與二極管基本相同，只是穩(wěn)壓管正常工作時(shí)是利用特性曲線的反向擊穿區(qū)。工作時(shí)是利用特性曲線的反向擊穿區(qū)。 電流改變而電壓基本不變的特性稱為穩(wěn)壓特性，穩(wěn)電流改變而電壓基本不變的特性稱為穩(wěn)壓特性，穩(wěn)壓管就是利用這一特性工作的。壓管就是利用這一特性工作的。UIOUZIZ UZ IZIZM（b）陰極陰極陽極陽極（a）第六章第六章 半導(dǎo)體器件的基本特