半導體基本知識

1、第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件1.1 1.1 半導體基本知識半導體基本知識1.1.1 本征半導體本征半導體1.1.2 雜質半導體雜質半導體1.1.3 PN結及其特性結及其特性第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 電子系統(tǒng)是由若干基本電路組成的電子系統(tǒng)是由若干基本電路組成的具有特定功能的電路整體。具有特定功能的電路整體。 以模擬信號為研究對象的電路，在以模擬信號為研究對象的電路，在電子系統(tǒng)中稱為模擬電路。電子系統(tǒng)中稱為模擬電路。 半導體器件是模擬電路中的基本元半導體器件是模擬電路中的基本元件，本章討論常用的半導體器件。件，本章討論常用的半導體器件。第第1章章 常用半導體器件常用半導

2、體器件 1.1 半導體基本知識半導體基本知識 自然界中的物質根據(jù)其導電能力的不同分為導體、半導體和絕緣體。 半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間。典型的半導體材料有硅(Si)和鍺(Ge)，以及砷化鎵(GaAs)等。 半導體具有一些獨特的物理特性，利用這些特性可制成電子電路需要的各種不同性能、不同用途的半導體器件。例如二極管、雙極型晶體管、場效應晶體管等。 第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件圖1.1和圖1.2展示了電子電路中一些常用半導體二極管和半導體晶體管的照片。圖1.1 各種半導體二極管的照片 圖1.2 各種晶體管的照片第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 1.本征半導體的定義本征

3、半導體的定義 本征半導體是化學成分純凈、物理結構完本征半導體是化學成分純凈、物理結構完整的半導體。整的半導體。1.1.1 本征半導體第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 2.2.本征半導體的共價鍵結構本征半導體的共價鍵結構 半導體材料硅和鍺的原子結構有一個共同點半導體材料硅和鍺的原子結構有一個共同點, ,即都是四價元素即都是四價元素, ,其原子的最外層電子數(shù)都是其原子的最外層電子數(shù)都是4 4個，個，原子的最外層電子稱為價電子原子的最外層電子稱為價電子, ,如圖如圖1.31.3（a a）(b)(b)所示。所示。 半導體的導電性能與價電子有關，因此，價半導體的導電性能與價電子有關，因此，價電子

4、是我們要研究的對象。原子的內層電子與原電子是我們要研究的對象。原子的內層電子與原子核構成穩(wěn)定的慣性核子核構成穩(wěn)定的慣性核，我們用，我們用+4+4代表慣性核所代表慣性核所具有的電荷量，用圖具有的電荷量，用圖1.31.3（c c）表示硅或鍺的簡化）表示硅或鍺的簡化原子結構模型。原子結構模型。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件4(a)32(b)14慣性核價電子(c)圖圖 1.3 硅和鍺的原子結構模型硅和鍺的原子結構模型 (a) 硅；硅； (b) 鍺；鍺； (c) 原子簡化模型原子簡化模型第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 硅或鍺制成單晶體后，由于晶體中原子之間距硅或鍺制成單晶體后，由于晶

5、體中原子之間距離很近，價電子不僅受到其所屬原子核的作用，離很近，價電子不僅受到其所屬原子核的作用，還受到相鄰原子的原子核的吸引，即一個價電還受到相鄰原子的原子核的吸引，即一個價電子為相鄰的兩個原子核所共有。這樣，相鄰原子為相鄰的兩個原子核所共有。這樣，相鄰原子之間通過共有價電子的形式而緊密結合起來，子之間通過共有價電子的形式而緊密結合起來，形成形成“共價鍵共價鍵”結構，如圖結構，如圖1.41.4所示。所示。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件圖圖1.4 1.4 硅和鍺的共價鍵結構硅和鍺的共價鍵結構第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 本征半導體晶體原子間的共價鍵具有很強本征半導體晶體原

6、子間的共價鍵具有很強的結合力，在絕對零度的結合力，在絕對零度(-237)(-237)時，并且在時，并且在無外界激發(fā)的條件下，價電子無法掙脫共價無外界激發(fā)的條件下，價電子無法掙脫共價鍵的束縛，不能自由移動，所以共價鍵內的鍵的束縛，不能自由移動，所以共價鍵內的價電子又叫束縛電子，這樣雖然有大量的價價電子又叫束縛電子，這樣雖然有大量的價電子，但沒有自由電子，此時，半導體不導電子，但沒有自由電子，此時，半導體不導電。電。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件3.本征激發(fā)與復合 當半導體溫度上升或受光照時，價電子以當半導體溫度上升或受光照時，價電子以熱運動的形式不斷從外界獲得一定的能量，熱運動的形式不

7、斷從外界獲得一定的能量，使價電子能量增高，有的價電子就可以掙使價電子能量增高，有的價電子就可以掙脫共價鍵的束縛跑出來，成為自由電子，脫共價鍵的束縛跑出來，成為自由電子，同時在原來的共價鍵的相應位置上留下一同時在原來的共價鍵的相應位置上留下一個空位，叫個空位，叫“空穴空穴”，如圖，如圖1.51.5所示。所示。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件圖圖1.5 本征激發(fā)本征激發(fā)第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 空穴空穴的出現(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的一個重要特點。的出現(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的一個重要特點。 顯然顯然, ,自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，所以稱它們?yōu)樽杂呻娮雍涂昭ㄊ浅蓪Τ霈F(xiàn)的，所以稱它們

8、為電電子子空穴對空穴對。 我們把在光或熱的作用下，本征半導體中產(chǎn)生電子我們把在光或熱的作用下，本征半導體中產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象，叫空穴對的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。本征激發(fā)。 在熱運動過程中自由電子和空穴又可能重新相遇結合在熱運動過程中自由電子和空穴又可能重新相遇結合使電子使電子空穴對消失，這一現(xiàn)象稱為空穴對消失，這一現(xiàn)象稱為復合復合。 本征激發(fā)和復合總是存在、同時進行的，在一定溫度本征激發(fā)和復合總是存在、同時進行的，在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。下會達到動態(tài)平衡。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件4.本征半導體的導電機理 我們將可以運動的帶電粒子稱為載流子。本征激發(fā)產(chǎn)我們將可以運動的帶電粒子稱為

9、載流子。本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子將在電場的作用下定向運動形成電流，因生的自由電子將在電場的作用下定向運動形成電流，因此它構成本征半導體中的一種載流子此它構成本征半導體中的一種載流子電子載流子電子載流子。 由于共價鍵中出現(xiàn)了空位，在外電場或其他能源的由于共價鍵中出現(xiàn)了空位，在外電場或其他能源的作用下，鄰近的價電子就可以填補到這個空穴上，而在作用下，鄰近的價電子就可以填補到這個空穴上，而在這個價電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他價這個價電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他價電子又可以轉移到這個新的空位上，如圖電子又可以轉移到這個新的空位上，如圖1.61.6所示。所示。 為了區(qū)別于自由電子的

10、運動，我們把這種價電子的為了區(qū)別于自由電子的運動，我們把這種價電子的填補運動稱為空穴運動，因此認為填補運動稱為空穴運動，因此認為空穴也是一種載流子空穴也是一種載流子，它所帶電荷和電子相等，符號相反。它所帶電荷和電子相等，符號相反。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件圖圖1.6 電子與空穴的移動電子與空穴的移動第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 由此可見，本征半導體中存在由此可見，本征半導體中存在兩種載流子兩種載流子：電子：電子和空穴。而金屬導體中只有一種載流子和空穴。而金屬導體中只有一種載流子電子。本電子。本征半導體在外電場作用下，兩種載流子的運動方向相征半導體在外電場作用下，兩種載

11、流子的運動方向相反而形成的電流方向相同。反而形成的電流方向相同。 自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。由于本征激發(fā)產(chǎn)半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。由于本征激發(fā)產(chǎn)生的電子生的電子空穴對的數(shù)目很少，因此本征半導體的導空穴對的數(shù)目很少，因此本征半導體的導電能力很弱。電能力很弱。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件1.1.2 1.1.2 雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量雜質元素，可使半導體的在本征半導體中摻

12、入某些微量雜質元素，可使半導體的導電性能發(fā)生顯著的改變。摻入雜質的本征半導體稱為雜導電性能發(fā)生顯著的改變。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。質半導體。1.N1.N型半導體型半導體 在硅（或鍺）的晶體內摻入少量五價雜質元素，例如在硅（或鍺）的晶體內摻入少量五價雜質元素，例如磷，可形成磷，可形成N N型半導體。如圖型半導體。如圖1.71.7所示。所示。 在在N N型半導體中自由電子數(shù)遠大于空穴數(shù)，自由電子型半導體中自由電子數(shù)遠大于空穴數(shù)，自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流是多數(shù)載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。導電以電子為主，故此類半導體亦稱子

13、，由熱激發(fā)形成。導電以電子為主，故此類半導體亦稱為為電子型半導體電子型半導體。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件圖圖1.7 N型半導體的結構示意圖型半導體的結構示意圖 提供自由電子的五價雜質原子因失去了一提供自由電子的五價雜質原子因失去了一個價電子而帶正電荷，成為正離子，因此五個價電子而帶正電荷，成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。價雜質原子也稱為施主雜質。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 由于三價雜質原子能獲得一個價電子而帶負電荷，成為由于三價雜質原子能獲得一個價電子而帶負電荷，成為負離子，因此三價雜質原子也稱為負離子，因此三價雜

14、質原子也稱為受主雜質受主雜質。圖1.8 P型半導體的結構示意圖第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 注意：注意：N N型、型、P P型半導體中的正負電荷數(shù)是相等的，它們型半導體中的正負電荷數(shù)是相等的，它們的作用互相抵消，因此保持電中性。的作用互相抵消，因此保持電中性。 為突出雜質半導體的主要特征為突出雜質半導體的主要特征, ,在畫在畫P P型或型或N N型半導體型半導體時時, ,常常只畫多子和離子成對出現(xiàn)常常只畫多子和離子成對出現(xiàn), ,如圖如圖1.91.9所示的簡化模所示的簡化模型。型。圖1.9 半導體結構的簡化模型第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件1.1.3 PN結及其特性1. P

15、N1. PN結的形成結的形成 如果在一塊本征半導體上的兩邊摻入不如果在一塊本征半導體上的兩邊摻入不同的雜質，使一邊成為同的雜質，使一邊成為P P型半導體，另一邊成型半導體，另一邊成為為N N型半導體，那么在這兩種半導體的交界面型半導體，那么在這兩種半導體的交界面附近將形成一層很薄的特殊導電層附近將形成一層很薄的特殊導電層PNPN結，結，PNPN結是構成各種半導體器件的基礎。結是構成各種半導體器件的基礎。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內電場內電場E漂移運動漂移運動擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)

16、越寬。漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內電場越強，就使漂移運動越強，內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件漂移運動漂移運動P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內電場內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，離子薄層形成的離子薄層形成的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)稱為稱為PNPN結結。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件PN結結電位電位VV0+空間空間電荷電荷區(qū)區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)第第1章章 常用半導體器件常

17、用半導體器件2、PN結的單向導電性在PN結兩端外加電壓,稱為給PN結加以偏置電壓。 PN結的結的P區(qū)接電源正極、區(qū)接電源正極、N 區(qū)接電源負極，區(qū)接電源負極，PN結結稱為稱為正向偏置。正向偏置。（1）PN結正向偏置結正向偏置第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件變薄變薄+RE內電場內電場外電場外電場PN+_內電場被削弱，多子的擴散加內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。強能夠形成較大的擴散電流。PN結呈結呈現(xiàn)低阻性現(xiàn)低阻性第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件（2 2）PNPN結反向偏置結反向偏置 PN結的結的P區(qū)接電源負極、區(qū)接電源負極、N 區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，PN

18、結稱為結稱為反向偏置。反向偏置。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件變厚變厚內電場被被加強，多子的擴散受內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電量有限，只能形成較小的反向電流。流。+內電場內電場外電場外電場NP+_REPN結呈現(xiàn)結呈現(xiàn)高阻性高阻性第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 在一定的溫度條件下，由本征激在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這上與所加反向電壓的大小無關，這

19、個電流也稱為個電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；阻，具有較大的正向擴散電流； PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結論：由此可以得出結論：PN結具有單結具有單向導電性。向導電性。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 （1） 數(shù)學表達式數(shù)學表達式其中其中IS 反向飽和電流反向飽和電流UT 溫度的電壓當量溫度的電壓當量,室溫室溫下為下為26mV。3. PN結的伏安特性結的伏安特性 PN

20、結的伏安特性是描述流過結的伏安特性是描述流過PN結的電流與其上結的電流與其上所加電壓之間的關系。所加電壓之間的關系。) 1(TUvSeIi第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件（2）伏安特性曲線）伏安特性曲線圖1.13 PN結的伏安特性曲線第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 當外加電壓當外加電壓u為正值為正值時，時，PN結正偏，若結正偏，若u比比UT大，滿足大，滿足 時，時，則近有：則近有： ，即即i隨隨u按指數(shù)規(guī)律變化；按指數(shù)規(guī)律變化；) 1(TUueTUuSeIi 第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 當外加電壓當外加電壓v為負值為負值時，時，PN結反偏，結反偏，此此時時i-I

21、S ，說明反向電流與，說明反向電流與反向電壓大小無關。反向電壓大小無關。 PN結的反向飽和電結的反向飽和電流流IS一般很?。ü枰话愫苄。ü鑀N結結的的IS為納安量級，鍺為納安量級，鍺PN結的結的IS為微安量級），所為微安量級），所以以PN結反向特性曲線幾結反向特性曲線幾乎接近于橫坐標。乎接近于橫坐標。第第1章章 常用半導體器件常用半導體器件 當加到當加到PNPN結上的反向電壓超過一定數(shù)結上的反向電壓超過一定數(shù)值后，共價鍵遭到破壞，使價電子脫離值后，共價鍵遭到破壞，使價電子脫離共價鍵束縛，產(chǎn)生電子共價鍵束縛，產(chǎn)生電子- -空穴對，反向空穴對，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊反向擊穿穿。 這時若對電流不加限制，就會造成這時若對電流不加限