半導體器件基礎1分析

1、第1章 半導體器件基礎 第第1章章 半半 導導 體體 器器 件件 基基 礎礎 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識 1.2PN結結 1.3 半導體三極管半導體三極管 1.4 場效應管場效應管第1章 半導體器件基礎 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識 物質按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。 物質的導電特性取決于原子結構。導體一般為低價元素, 如銅、鐵、鋁等金屬, 其最外層電子受原子核的束縛力很小, 因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場作用下, 這些電子產生定向運動(稱為漂移運動)形成電流, 呈現出較好的導電特性。高價元素(如惰性氣體)和高分子物質(如橡膠, 塑料)最外層電子受

2、原子核的束縛力很強, 極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子, 所以其導電性極差, 可作為絕緣材料。而半導體材料最外層電子既不像導體那樣極易擺脫原子核的束縛, 成為自由電子, 也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊, 因此, 半導體的導電特性介于二者之間。 第1章 半導體器件基礎 1.1.1 本征半導體本征半導體 純凈晶體結構的半導體稱為本征半導體。常用的半導體材料是硅和鍺, 它們都是四價元素, 在原子結構中最外層軌道上有四個價電子。為便于討論, 采用圖 1- 所示的簡化原子結構模型。把硅或鍺材料拉制成單晶體時, 相鄰兩個原子的一對最外層電子(價電子)成為共有電子, 它們一方面圍繞自身的原子核運動,

3、 另一方面又出現在相鄰原子所屬的軌道上。即價電子不僅受到自身原子核的作用, 同時還受到相鄰原子核的吸引。于是, 兩個相鄰的原子共有一對價電子, 組成共價鍵結構。故晶體中, 每個原子都和周圍的個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯系起來,如圖 - 所示。 第1章 半導體器件基礎 4圖 1 1 硅和鍺簡化原子結構模型 4共價鍵價電子44444444圖 1 2 本征半導體共價鍵晶體結構示意圖 第1章 半導體器件基礎 444444444自由電子空穴 共價鍵中的價電子由于熱運動而獲得一定的能量, 其中少數能夠擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子, 同時必然在共價鍵中留下空位, 稱為空穴。空穴帶正電, 如圖 1-所示

4、。 圖 1 3 本征半導體中的自由電子和空穴 第1章 半導體器件基礎 由此可見, 半導體中存在著兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導體中, 自由電子與空穴是同時成對產生的, 因此, 它們的濃度是相等的。我們用n和p分別表示電子和空穴的濃度, 即ni=pi, 下標i表示為本征半導體。 第1章 半導體器件基礎 價電子在熱運動中獲得能量產生了電子-空穴對。同時自由電子在運動過程中失去能量, 與空穴相遇, 使電子、 空穴對消失, 這種現象稱為復合。在一定溫度下, 載流子的產生過程和復合過程是相對平衡的, 載流子的濃度是一定的。本征半導體中載流子的濃度, 除了與半導體材料本身的性質有關以

5、外, 還與溫度有關, 而且隨著溫度的升高, 基本上按指數規(guī)律增加。因此, 半導體載流子濃度對溫度十分敏感。對于硅材料, 大約溫度每升高, 本征載流子濃度ni增加 1 倍；對于鍺材料, 大約溫度每升高, 增加 1 倍。 除此之外, 半導體載流子濃度還與光照有關, 人們正是利用此特性, 制成光敏器件。 第1章 半導體器件基礎 1.1.2 雜質半導體雜質半導體 1. 型半導體型半導體 在本征半導體中, 摻入微量價元素, 如磷、銻、砷等, 則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。由于雜質原子的最外層有個價電子, 因此它與周圍個硅(鍺)原子組成共價鍵時, 還多余 1 個價電子。 它不受共價鍵的束縛

6、, 而只受自身原子核的束縛, 因此, 它只要得到較少的能量就能成為自由電子, 并留下帶正電的雜質離子, 它不能參與導電, 如圖-所示。顯然, 這種雜質半導體中電子濃度遠遠大于空穴的濃度, 即nnpn(下標表示是型半導體), 主要靠電子導電, 所以稱為型半導體。由于價雜質原子可提供自由電子, 故稱為施主雜質。型半導體中, 自由電子稱為多數載流子；空穴稱為少數載流子。 第1章 半導體器件基礎 444454444鍵外電子施主原子圖 1 - 4 N型半導體共價鍵結構第1章 半導體器件基礎 雜質半導體中多數載流子濃度主要取決于摻入的雜質濃度。由于少數載流子是半導體材料共價鍵提供的, 因而其濃度主要取決于

7、溫度。 此時電子濃度與空穴濃度之間, 可以證明有如下關系： 212111pnpnpnnn 即在一定溫度下, 電子濃度與空穴濃度的乘積是一個常數, 與摻雜濃度無關。 第1章 半導體器件基礎 2. P型半導體型半導體 在本征半導體中, 摻入微量價元素, 如硼、鎵、銦等, 則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。 444444444空位受主原子圖 1 5 P型半導體的共價鍵結構 第1章 半導體器件基礎 1. 結結 1.2.1 異型半導體接觸現象異型半導體接觸現象 P(a) 多數載流子的擴散運動NP(b) 平衡時阻擋層形成N耗盡層空間電荷區(qū)自建場圖 1 - 6 PN結的形成 第1章 半導體器件基

8、礎 1.2.2 結的單向導電特性結的單向導電特性 1. 結外加正向電壓結外加正向電壓 若將電源的正極接區(qū), 負極接區(qū), 則稱此為正向接法或正向偏置。此時外加電壓在阻擋層內形成的電場與自建場方向相反, 削弱了自建場, 使阻擋層變窄, 如圖-()所示。 顯然, 擴散作用大于漂移作用, 在電源作用下, 多數載流子向對方區(qū)域擴散形成正向電流, 其方向由電源正極通過區(qū)、區(qū)到達電源負極。 第1章 半導體器件基礎 此時, 結處于導通狀態(tài), 它所呈現出的電阻為正向電阻, 其阻值很小。 正向電壓愈大, 正向電流愈大。其關系是指數關系： TUUSDeII式中, 為流過結的電流；U為結兩端電壓； , 稱為溫度電壓當

9、量, 其中k為玻耳茲曼常數, 為絕對溫度,q為電子的電量,在室溫下即時,；為反向飽和電流。電路中的電阻是為了限制正向電流的大小而接入的限流電阻。qkTUT第1章 半導體器件基礎 NP外電場(a) 外加正向電壓PN(b) 外加反向電壓自建場ID R外電場自建場RUU圖 1 - 7 PN結單向導電特性 第1章 半導體器件基礎 2. 結外加反向電壓結外加反向電壓 若將電源的正極接區(qū), 負極接區(qū), 則稱此為反向接法或反向偏置。此時外加電壓在阻擋層內形成的電場與自建場方向相同, 增強了自建場, 使阻擋層變寬, 如圖-()所示。 此時漂移作用大于擴散作用, 少數載流子在電場作用下作漂移運動, 由于其電流方

10、向與正向電壓時相反, 故稱為反向電流。 由于反向電流是由少數載流子所形成的, 故反向電流很小, 而且當外加反向電壓超過零點幾伏時, 少數載流子基本全被電場拉過去形成漂移電流, 此時反向電壓再增加, 載流子數也不會增加, 因此反向電流也不會增加, 故稱為反向飽和電流, 即 。 第1章 半導體器件基礎 此時, 結處于截止狀態(tài), 呈現的電阻稱為反向電阻, 其阻值很大, 高達幾百千歐以上。 綜上所述：結加正向電壓, 處于導通狀態(tài)；加反向電壓, 處于截止狀態(tài), 即結具有單向導電特性。 將上述電流與電壓的關系寫成如下通式： 此方程稱為伏安特性方程, 如圖 - 所示, 該曲線稱為伏安特性曲線。 ) 1(TU

11、USDeII(1-1)第1章 半導體器件基礎 UIOUB圖 1 - 8 PN結伏安特性 第1章 半導體器件基礎 1.2.3 結的擊穿結的擊穿 PN結處于反向偏置時, 在一定電壓范圍內, 流過結的電流是很小的反向飽和電流。但是當反向電壓超過某一數值()后, 反向電流急劇增加, 這種現象稱為反向擊穿, 如圖 - 所示。稱為擊穿電壓。 結的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。 第1章 半導體器件基礎 當反向電壓足夠高時, 阻擋層內電場很強, 少數載流子在結區(qū)內受強烈電場的加速作用, 獲得很大的能量, 在運動中與其它原子發(fā)生碰撞時, 有可能將價電子“打”出共價鍵, 形成新的電子、 空穴對。這些新的載流子與原先的載流子一道, 在強電場作用下碰撞