一-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1、1第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件2概述概述 半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物體體 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料：Si和和Ge31.1 半導(dǎo)體材料及其特性半導(dǎo)體材料及其特性 半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體材料： 族元素硅（族元素硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge） III-V族元素的化合物砷化嫁（族元素的化合物砷化嫁（GaAs）等。）等。半導(dǎo)體材料特點(diǎn)：半導(dǎo)體材料特點(diǎn)： 導(dǎo)電性能會(huì)隨溫度、光照或摻入某些雜質(zhì)導(dǎo)電性能會(huì)隨溫度、光照或摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。而發(fā)生顯著變化。 導(dǎo)電能力可控。導(dǎo)電能力可控。4本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的

2、半導(dǎo)體。純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。天然的硅和鍺經(jīng)提純（天然的硅和鍺經(jīng)提純（99. 999%以上）即為本以上）即為本征半導(dǎo)體。征半導(dǎo)體。晶格晶格在本征在本征Si和和Ge的單晶中，原子在空的單晶中，原子在空間形成排列整齊的空間點(diǎn)陣。間形成排列整齊的空間點(diǎn)陣。 5共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 由于原子間相距很近，價(jià)由于原子間相距很近，價(jià)電子不僅受到自身原子核電子不僅受到自身原子核的約束，還要受到相鄰原的約束，還要受到相鄰原子核的吸引，使得每個(gè)價(jià)子核的吸引，使得每個(gè)價(jià)電子為相鄰原子所共有，電子為相鄰原子所共有，從而形成從而形成共價(jià)鍵共價(jià)鍵。這樣四這樣四個(gè)價(jià)電子與相鄰的四個(gè)原個(gè)價(jià)電子與相鄰的四個(gè)原子中的價(jià)電子

3、分別組成四子中的價(jià)電子分別組成四對(duì)共價(jià)鍵，依靠共價(jià)鍵使對(duì)共價(jià)鍵，依靠共價(jià)鍵使晶體中的原子緊密地結(jié)合晶體中的原子緊密地結(jié)合在一起。在一起。 單晶單晶Si和和Ge的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖 6本征激發(fā)本征激發(fā) 在絕對(duì)溫度在絕對(duì)溫度TII漂。漂。 顯然，正偏電壓越大，顯然，正偏電壓越大，PN結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)越弱，越結(jié)結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)越弱，越結(jié)的擴(kuò)散電流越大，外電路電流也越大。的擴(kuò)散電流越大，外電路電流也越大。 但在實(shí)際應(yīng)用中，外加電壓但在實(shí)際應(yīng)用中，外加電壓V不允許超過(guò)內(nèi)建電不允許超過(guò)內(nèi)建電壓壓 ，否則，過(guò)大的電流會(huì)在，否則，過(guò)大的電流會(huì)在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生歐姆壓降，區(qū)產(chǎn)生歐姆壓降，會(huì)導(dǎo)致會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)

4、因發(fā)熱而燒壞。在實(shí)際應(yīng)用中為防止這種結(jié)因發(fā)熱而燒壞。在實(shí)際應(yīng)用中為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，通常在電路中串聯(lián)一個(gè)小的限流電阻?，F(xiàn)象發(fā)生，通常在電路中串聯(lián)一個(gè)小的限流電阻。 正偏正偏PN結(jié)會(huì)產(chǎn)生隨正向電壓增大的正向電流，呈結(jié)會(huì)產(chǎn)生隨正向電壓增大的正向電流，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，通常稱正現(xiàn)低阻狀態(tài)，通常稱正PN結(jié)是導(dǎo)通的。結(jié)是導(dǎo)通的。o34反向偏置的反向偏置的PN結(jié)（結(jié)（P負(fù)，負(fù)，N正）正） 若外加直流電壓使若外加直流電壓使P區(qū)電位低于區(qū)電位低于N區(qū)電位，稱區(qū)電位，稱PN結(jié)加反向電壓或反向偏置結(jié)加反向電壓或反向偏置（簡(jiǎn)稱反偏）。（簡(jiǎn)稱反偏）。 （a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖）內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 （b）實(shí)用電路圖）實(shí)用電路圖 3

5、5 （1）空間電荷層變寬；（）空間電荷層變寬；（2）位壘增高；）位壘增高； （3） I漂漂II擴(kuò)。擴(kuò)。 反偏時(shí)反偏時(shí)PN結(jié)僅有很小的反向飽和電流。結(jié)僅有很小的反向飽和電流。PN結(jié)具有結(jié)具有單向?qū)щ娞匦裕赫珜?dǎo)通，反偏截止單向?qū)щ娞匦裕赫珜?dǎo)通，反偏截止36PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性PN結(jié)的伏安特性是指流過(guò)結(jié)的伏安特性是指流過(guò)PN結(jié)的電流結(jié)的電流 與其端電壓與其端電壓 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 是加在是加在PN結(jié)上的端電壓，結(jié)上的端電壓， 是流過(guò)是流過(guò)PN結(jié)上的電流。結(jié)上的電流。 DiDv(1)DTvVDsiI eDvDiTV是熱電壓。是熱電壓。37正偏時(shí)的近似伏安特性正偏時(shí)的近似伏安特性 P

6、N結(jié)的正偏伏安特性方程結(jié)的正偏伏安特性方程: DTvVDsiI e PN結(jié)的正向電流隨正偏電壓的增大呈指數(shù)結(jié)的正向電流隨正偏電壓的增大呈指數(shù)規(guī)律增加。規(guī)律增加。 38反偏伏安特性反偏伏安特性 PN結(jié)的反偏伏安特性方程結(jié)的反偏伏安特性方程: 可見，可見，PN結(jié)反向電流不隨反向偏壓結(jié)反向電流不隨反向偏壓 而變而變化，僅有很小的反向飽和電流。化，僅有很小的反向飽和電流。 ssiI DiDv39 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，正向電流時(shí)，正向電流 實(shí)際實(shí)際很小，不能認(rèn)為很小，不能認(rèn)為PN結(jié)真正導(dǎo)結(jié)真正導(dǎo)通；而通；而 當(dāng)以后，正向電當(dāng)以后，正向電流流 急劇增大，急劇增大，PN結(jié)呈現(xiàn)較結(jié)呈現(xiàn)較陡的伏安特性，即正偏陡的伏安特性

7、，即正偏PN結(jié)結(jié)存在著一個(gè)導(dǎo)通電壓存在著一個(gè)導(dǎo)通電壓 ，稱為，稱為PN結(jié)的正向開啟（死區(qū)或門結(jié)的正向開啟（死區(qū)或門限）電壓。硅限）電壓。硅PN結(jié)導(dǎo)通電壓結(jié)導(dǎo)通電壓的典型值為的典型值為0.7V，鍺鍺PN結(jié)導(dǎo)結(jié)導(dǎo)通電壓的典型值為通電壓的典型值為0.2V。導(dǎo)通電壓（開啟電壓，死區(qū)電壓）導(dǎo)通電壓（開啟電壓，死區(qū)電壓） 0.5DvVDi0.6DvVDiONV40PN結(jié)的反向擊穿特性結(jié)的反向擊穿特性 當(dāng)加在當(dāng)加在PN結(jié)上的反偏電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，結(jié)上的反偏電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，反偏電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管反偏電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿的反向擊穿 BRV41導(dǎo)致導(dǎo)致PN結(jié)出現(xiàn)反向擊

8、穿的原因有下面兩種：結(jié)出現(xiàn)反向擊穿的原因有下面兩種： (一一)雪崩擊穿雪崩擊穿 發(fā)生條件：兩個(gè)區(qū)低摻雜，外加電壓高于發(fā)生條件：兩個(gè)區(qū)低摻雜，外加電壓高于30V。 發(fā)生機(jī)理：發(fā)生機(jī)理： 溫度特性：正溫度系數(shù)特性溫度特性：正溫度系數(shù)特性(二二)齊納擊穿齊納擊穿 發(fā)生條件：兩個(gè)區(qū)高摻雜，外加電壓低于發(fā)生條件：兩個(gè)區(qū)高摻雜，外加電壓低于6V. 發(fā)生機(jī)理：發(fā)生機(jī)理： 溫度特性：負(fù)溫度系數(shù)特性溫度特性：負(fù)溫度系數(shù)特性42溫度對(duì)溫度對(duì)PN結(jié)伏安特性的影響結(jié)伏安特性的影響 (一一)溫度對(duì)溫度對(duì)PN結(jié)正向特性的影響結(jié)正向特性的影響 (二二)溫度對(duì)溫度對(duì)PN結(jié)反向特性的影響結(jié)反向特性的影響(2-2.5)Dodvm

9、VCdT 211021()( )2TTssI TI T43Si 材料材料PN結(jié)與結(jié)與Ge材料材料PN結(jié)伏安特性的差別結(jié)伏安特性的差別(一一)Si 的開啟電壓大于的開啟電壓大于Ge的開啟電的開啟電壓。一般情況下壓。一般情況下Si 的開啟電壓的開啟電壓約為約為 ，Ge的開啟電的開啟電壓約為壓約為 。(二二)Si 的反向電流比的反向電流比Ge的反向電流的反向電流小的多，小的多，Si 管是管是pA量級(jí)，量級(jí)，Ge管管是是A量級(jí)。這是因?yàn)樵谙嗤瑴亓考?jí)。這是因?yàn)樵谙嗤瑴囟认露认翯e的載流子濃度比的載流子濃度比Si的載的載流子濃度要高出約三個(gè)數(shù)量級(jí)，流子濃度要高出約三個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在相同的摻雜濃度下所以在相

10、同的摻雜濃度下Si的少的少子濃度比子濃度比Ge的少子濃度低的多，的少子濃度低的多，故故Si管的反向飽和電流很小。管的反向飽和電流很小。(0.5-0.8)V(0.1-0.2)VsI清華大學(xué) 華成英 PN 結(jié)的電容效應(yīng)1. 勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過(guò)程，與電容的充放電相同，其等有電荷的積累和釋放的過(guò)程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為效電容稱為勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容Cb。2. 擴(kuò)散電容(正偏時(shí)存在) PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過(guò)程，其度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過(guò)程，其等效電容稱為等效電容稱為擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容Cd。dbjCCC結(jié)電容：結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！與外加電壓有關(guān)結(jié)電容不是常量！與外加電壓有關(guān).由于由于Cj的存在，若的存在，若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！向?qū)щ娦裕?(why?)45問(wèn)題 為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本為什么將自然界導(dǎo)電性能