半導體材料與器件- 第六周

半導體的基礎知識主講人：吳家剛EMAIL:msewujg@

四川大學材料科學與工程學院半導體的基礎知識1.3半導體材料的特點1.5二極管1.6三極管1.7場效應管第一章1.2半導體的導電性1.4半導體的分類及能帶結構1.1半導體的晶體結構N型導電

以電子為主要載流子，它是多數載流子，簡稱為多子，而空穴則是少數載流子-少子P型導電

以空穴為多子，電子則是少子本征導電

電子、空穴數量相等，都參與導電三種導電類型第一章半導體的基礎知識半導體的分類本征半導體雜質半導體

N型半導體

P型半導體半導體的分類第一章半導體的基礎知識定義：純凈的具有晶體結構的半導體。導電的特點：即自由電子和空穴均參與導電。本征激發(fā)：半導體在熱激發(fā)下產生自由電子和空穴的現象。本征半導體第一章半導體的基礎知識動態(tài)平衡：在一定的溫度下，本征激發(fā)所產生的自由電子與空穴對，與復合的自由電子與空穴對數目相等，達到動態(tài)平衡。復合：自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失。第一章半導體的基礎知識載流子的濃度與溫度的關系：溫度一定，本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導電性能增強；當溫度降低，則載流子的濃度降低，導電性能變差。

第一章半導體的基礎知識結論：本征半導體的導電性能與溫度有關。半導體材料性能對溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。第一章半導體的基礎知識

第一章半導體的基礎知識本征半導體的導電機理當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流(2)價電子遞補空穴空穴電流第一章半導體的基礎知識自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。第一章半導體的基礎知識注意：

(1)本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。第一章半導體的基礎知識雜質半導體：在本征半導體中摻入微量雜質雜質半導體導電性能發(fā)生變化雜質半導體

N型半導體

P型半導體雜質半導體第一章半導體的基礎知識N型半導體/電子型半導體定義：硅晶體中摻入五價元素（磷、銻）多子：自由電子—摻雜+熱激發(fā)少子：空穴—熱激發(fā)第一章半導體的基礎知識P型半導體/空穴型半導體定義：硅晶體中摻入三價元素(硼、銦)少子:自由電子—熱激發(fā)多子:空穴—摻雜+熱激發(fā)總結：多子：摻雜（主）+熱激發(fā)少子：熱激發(fā)（主）第一章半導體的基礎知識1.在雜質半導體中多子的數量與有關

a.摻雜濃度b.溫度2.在雜質半導體中少子的數量與有關

a.摻雜濃度b.溫度3.當溫度升高時，少子的數量

a.減少b.不變c.增多4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。a.電子電流b.空穴電流PN結的形成

多子擴散運動形成耗盡層（空間電荷區(qū)）空穴濃度：P區(qū)>N區(qū)；自由電子：P區(qū)<N區(qū)多子由濃度高—>濃度低擴散，擴散到對方復合，交界區(qū)僅剩正負離子形成耗盡層/阻擋層/空間電荷區(qū)/內電場EIN。第一章半導體的基礎知識總結：PN結：由濃度差引起的多子擴散運動，它使阻擋層變寬；由內電場作用下產生的少子漂移運動，它使阻擋層變窄。當兩者強度相當時，達到動態(tài)平衡。

少子漂移運動:

內電場的存在，阻止了多子的擴散，P區(qū)的少子——電子，N區(qū)少子——空穴，內電場作用下向對方移動——漂移。第一章半導體的基礎知識(一)

PN結的單向導電性

加反向電壓（反向偏置）P區(qū)接電源負極，N區(qū)接電源正極。外電場EEXT與內電場EIN方向相同。即加強了內電場，空間電荷區(qū)變寬，不利于多子擴散，有利于少子漂移，使漂移電流超過擴散電流，于是回路中形成反向電流IR。因為是少子產生，所以很微弱。PN結截止第一章半導體的基礎知識

加正向電壓（正向偏置）P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極。外電場EEXT與內電場EIN方向相反。即減弱了內電場，空間電荷區(qū)變窄，有利于多子擴散，不利于少子漂移，使漂移電流超過擴散電流，于是回路中形成正向電流IR。PN結導通第一章半導體的基礎知識

PN結具有單向導電性：當正向偏置時，有較大的正向電流，電阻很小，成導通狀態(tài)；反向偏置時電流很?。◣缀鯙?），電阻很大，成截止狀態(tài)?？偨Y：第一章半導體的基礎知識PN結的伏安特性

正向特性（u>0）UON：開啟/導通電壓硅：0.5V鍺：0.1V

反向特性(u<0)

擊穿特性U（RB）：擊穿電壓穩(wěn)壓管使用第一章半導體的基礎知識二極管的伏安特性是指流過二極管的電流iD與加于二極管兩端的電壓VD之間的關系或曲線。用逐點測量的方法測繪出來或用晶體管圖示儀顯示出來的V-I曲線，稱二極管的伏安特性曲線。第一章半導體的基礎知識二極管的伏安特性曲線1．正向特性當所加的正向電壓為零時，電流為零；當正向電壓較小時，由于外電場遠不足以克服PN結內電場對多數載流子擴散運動所造成的阻力，故正向電流很小(幾乎為零)，二極管呈現出較大的電阻。這段曲線稱為死區(qū)。第一章半導體的基礎知識當正向電壓升高到一定值Vth以后內電場被顯著減弱，正向電流才有明顯增加。Vth被稱為門限電壓或閥電壓。

Vth視二極管材料和溫度的不同而不同，常溫下，硅管一般為0.5V左右，鍺管為0.1V左右。在實際應用中，常把正向特性較直部分延長交于橫軸的一點，定為門限電壓Vth的值，如圖中虛線與橫軸的交點。第一章半導體的基礎知識當正向電壓大于Vth以后，正向電流隨正向電壓幾乎線性增長。把正向電流隨正向電壓線性增長時所對應的正向電壓，稱為二極管的導通電壓，用VF來表示。通常，硅管的導通電壓約為0.6～0.8V，一般取為0.7V；鍺管的導通電壓約為0.1～0.3V一般取為0.2V。第一章半導體的基礎知識2．反向特性當二極管兩端外加反向電壓時，PN結內電場進一步增強，使擴散更難進行。這時只有少數載流子在反向電壓作用下的漂移運動形成微弱的反向電流IR。反向電流很小，且在一定的范圍內幾乎不隨反向電壓的增大而增大。但反向電流是溫度的函數，將隨溫度的變化而變化。常溫下，小功率硅管的反向電流在nA數量級，鍺管的反向電流在μA數量級。第一章半導體的基礎知識3．反向擊穿特性當反向電壓增大到一定數值VBR時，反向電流劇增，這種現象稱為二極管的擊穿，此時的VBR電壓值叫做擊穿電壓，VBR視不同二極管而定，普通二極管一般在幾十伏以上且硅管較鍺管為高。第一章半導體的基礎知識擊穿特性的特點是，雖然反向電流劇增，但二極管的端電壓卻變化很小，這一特點成為制作穩(wěn)壓二極管的依據。第一章半導體的基礎知識4.溫度對二極管伏安特性的影響二極管是溫度的敏感器件，溫度的變化對其伏安特性的影響主要表現為：隨著溫度的升高，其正向特性曲線左移，即正向壓降減??；反向特性曲線下移，即反向電流增大。一般在室溫附近，溫度每升高1℃，其正向壓降減小2～2.5mV；溫度每升高10℃，反向電流大約增大1倍左右。第一章半導體的基礎知識綜上所述，二極管的伏安特性具有以下特點：二極管具有單向導電性；二極管的伏安特性具有非線性；二極管的伏安特性與溫度有關。第一章半導體的基礎知識1.3半導體的能帶結構Eg>6eVEg絕緣體半導體價帶導帶導體第一章半導體的基礎知識禁帶寬度的大小實際上是反映了價電子被束縛強弱程度的一個物理量，也就是產生本征激發(fā)所需要的最小能量。Si的原子序數比Ge的小，則Si的價電子束縛得較緊，所以Si的禁帶寬度比Ge的要大一些。GaAs的價鍵還具有極性，對價電子的束縛更緊，所以GaAs的禁帶寬度更大。GaN、SiC等所謂寬禁帶半導體的禁帶寬度更要大得多，因為其價鍵的極性更強。舉例Ge、Si、GaAs、GaN和金剛石的禁帶寬度在室溫下分別為0.66eV、1.12eV、1.42eV、3.44eV和5.47eV。直接帶隙和間接帶隙直接帶隙間接帶隙第一章半導體的基礎知識直接帶隙半導體材料導帶最小值(導帶底)和滿帶最大值在k空間中同一位置。電子要躍遷到導帶上產生導電的電子和空穴(形成半滿能帶)只需要吸收能量。第一章半導體的基礎知識間接帶隙半導體材料:導帶最小值（導帶底）和滿帶最大值在k空間中不同位置。形成半滿能帶不只需要吸收能量，還要改變動量。第一章半導體的基礎知識直接帶隙和間接帶隙半導體的對比分析價帶的極大值和導帶的極小值都位于k空間的原點上價帶的電子躍遷到導帶時，只要求能量的改變，而電子的準動量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷直接躍遷對應的半導體材料稱為直接禁帶半導體例子：GaAs，GaN，ZnO價帶的極大值和導帶的極小值不位于k空間的原點上價帶的電子躍遷到導帶時，不僅要求電子的能量要改變，電子的準動量也要改變，稱為間接躍遷間接躍遷對應的半導體材料稱為間接禁帶半導體例子：Si，Ge第一章半導體的基礎知識直接躍遷和間接躍遷考慮到光子的動量較小，可以忽略;因而電子吸收或放出一個光子，發(fā)生躍遷時電子的動量基本不變;單純的光躍遷過程是直接躍遷，效率高;間接躍遷為了能量守恒，必須有聲子參加，因而發(fā)生間接躍遷的概率要小得多第一章半導體的基礎知識GaN是直接帶隙的材料，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個數量級。因此，寬帶隙的GaN基半導體在短波長發(fā)光二極管、激光器和紫外探測器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應用前景；對環(huán)保，其還是很適合于環(huán)保的材料體系。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型半導體二極管的結構和符號二極管的結構示意圖陰極陽極(

d

)

符號D1.4半導體二極管第一章半導體的基礎知識半導體二極管A：陽極/正極B：陰極/負極二極管的伏安特性與PN結伏安特性一致。二極管主要參數：1．

最大正向電流IF2．

反向擊穿電壓U（RB）3．

反向電流IR4．

最高工作頻率FT和反向恢復時間tre5、溫度影響ABD第一章半導體的基礎知識二極管分析

1、分析二極管的狀態(tài)：

導通還是截止---二極管的兩端電壓：若是反偏則截止；若是正偏還要看P的電壓是否比N的電壓高Uon（導通電壓）是則導通，否則截止。若是理想二級管，Uon=0V。第一章半導體的基礎知識二極管分析

2、二極管導通則相當于一導線（理想狀態(tài)）或一個小電阻（非理想狀態(tài)）；截止則相當于斷開的開關。第一章半導體的基礎知識二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。二極管的單向導電性第一章半導體的基礎知識外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。(溫度越高，載流子數目越多)第一章半導體的基礎知識普通二極管特殊二極管半導體二極整流二極管檢波二極管穩(wěn)壓二極管開關二極管快速二極管……….變容二極管發(fā)光二極管隧道二極管觸發(fā)二極管……….二極管的分類第一章半導體的基礎知識作用：一種將交流電能轉變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽w器件。整流二極管的作用是利用其單向導電性，將交流電變成直流電。整流二極管

第一章半導體的基礎知識第一章半導體的基礎知識整流二極管硅管鍺管高頻整流二極管低頻整流二極管大功率整流二極管中、小功率整流二極管金屬封裝塑料封裝玻璃封裝表面封裝整流二極管封裝類型穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管;此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件.在這臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很少的數值,在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定,穩(wěn)壓二極管是根據第一章半導體的基礎知識擊穿電壓來分檔的,因為這種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用.其伏安特性,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓.發(fā)光二極管第一章半