半導(dǎo)體材料與器件- 第六周

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)主講人：吳家剛EMAIL:msewujg@

四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.3半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)1.5二極管1.6三極管1.7場(chǎng)效應(yīng)管第一章1.2半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1.4半導(dǎo)體的分類及能帶結(jié)構(gòu)1.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)N型導(dǎo)電

以電子為主要載流子，它是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱為多子，而空穴則是少數(shù)載流子-少子P型導(dǎo)電

以空穴為多子，電子則是少子本征導(dǎo)電

電子、空穴數(shù)量相等，都參與導(dǎo)電三種導(dǎo)電類型第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的分類本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的分類第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)定義：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。導(dǎo)電的特點(diǎn)：即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。本征激發(fā)：半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象。本征半導(dǎo)體第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)動(dòng)態(tài)平衡：在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對(duì)，與復(fù)合的自由電子與空穴對(duì)數(shù)目相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。復(fù)合：自由電子在運(yùn)動(dòng)的過程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，使兩者同時(shí)消失。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)載流子的濃度與溫度的關(guān)系：溫度一定，本征半導(dǎo)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(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)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(dǎo)電性能增強(qiáng)；當(dāng)溫度降低，則載流子的濃度降低，導(dǎo)電性能變差。

第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)論：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對(duì)溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能發(fā)生變化雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)N型半導(dǎo)體/電子型半導(dǎo)體定義：硅晶體中摻入五價(jià)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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)P型半導(dǎo)體/空穴型半導(dǎo)體定義：硅晶體中摻入三價(jià)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(jié)：多子：摻雜（主）+熱激發(fā)少子：熱激發(fā)（主）第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與有關(guān)

a.摻雜濃度b.溫度2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與有關(guān)

a.摻雜濃度b.溫度3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量

a.減少b.不變c.增多4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。a.電子電流b.空穴電流PN結(jié)的形成

多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(kuò)散，擴(kuò)散到對(duì)方復(fù)合，交界區(qū)僅剩正負(fù)離子形成耗盡層/阻擋層/空間電荷區(qū)/內(nèi)電場(chǎng)EIN。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)：PN結(jié)：由濃度差引起的多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，它使阻擋層變寬；由內(nèi)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的少子漂移運(yùn)動(dòng)，它使阻擋層變窄。當(dāng)兩者強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

少子漂移運(yùn)動(dòng):

內(nèi)電場(chǎng)的存在，阻止了多子的擴(kuò)散，P區(qū)的少子——電子，N區(qū)少子——空穴，內(nèi)電場(chǎng)作用下向?qū)Ψ揭苿?dòng)——漂移。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)(一)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

加反向電壓（反向偏置）P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極。外電場(chǎng)EEXT與內(nèi)電場(chǎng)EIN方向相同。即加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，空間電荷區(qū)變寬，不利于多子擴(kuò)散，有利于少子漂移，使漂移電流超過擴(kuò)散電流，于是回路中形成反向電流IR。因?yàn)槭巧僮赢a(chǎn)生，所以很微弱。PN結(jié)截止第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

加正向電壓（正向偏置）P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極。外電場(chǎng)EEXT與內(nèi)電場(chǎng)EIN方向相反。即減弱了內(nèi)電場(chǎng)，空間電荷區(qū)變窄，有利于多子擴(kuò)散，不利于少子漂移，使漂移電流超過擴(kuò)散電流，于是回路中形成正向電流IR。PN結(jié)導(dǎo)通第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕寒?dāng)正向偏置時(shí)，有較大的正向電流，電阻很小，成導(dǎo)通狀態(tài)；反向偏置時(shí)電流很?。◣缀鯙?），電阻很大，成截止?fàn)顟B(tài)?？偨Y(jié)：第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)PN結(jié)的伏安特性

正向特性（u>0）UON：開啟/導(dǎo)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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)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(guān)系或曲線。用逐點(diǎn)測(cè)量的方法測(cè)繪出來(lái)或用晶體管圖示儀顯示出來(lái)的V-I曲線，稱二極管的伏安特性曲線。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)二極管的伏安特性曲線1．正向特性當(dāng)所加的正向電壓為零時(shí)，電流為零；當(dāng)正向電壓較小時(shí)，由于外電場(chǎng)遠(yuǎn)不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所造成的阻力，故正向電流很小(幾乎為零)，二極管呈現(xiàn)出較大的電阻。這段曲線稱為死區(qū)。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)正向電壓升高到一定值Vth以后內(nèi)電場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用中，常把正向特性較直部分延長(zhǎng)交于橫軸的一點(diǎn)，定為門限電壓Vth的值，如圖中虛線與橫軸的交點(diǎn)。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)正向電壓大于Vth以后，正向電流隨正向電壓幾乎線性增長(zhǎng)。把正向電流隨正向電壓線性增長(zhǎng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的正向電壓，稱為二極管的導(dǎo)通電壓，用VF來(lái)表示。通常，硅管的導(dǎo)通電壓約為0.6～0.8V，一般取為0.7V；鍺管的導(dǎo)通電壓約為0.1～0.3V一般取為0.2V。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)2．反向特性當(dāng)二極管兩端外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)，使擴(kuò)散更難進(jìn)行。這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向電壓作用下的漂移運(yùn)動(dòng)形成微弱的反向電流IR。反向電流很小，且在一定的范圍內(nèi)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(shù)，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(shù)量級(jí)，鍺管的反向電流在μA數(shù)量級(jí)。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)3．反向擊穿特性當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值VBR時(shí)，反向電流劇增，這種現(xiàn)象稱為二極管的擊穿，此時(shí)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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)擊穿特性的特點(diǎn)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(diǎn)成為制作穩(wěn)壓二極管的依據(jù)。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)4.溫度對(duì)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(duì)其伏安特性的影響主要表現(xiàn)為：隨著溫度的升高，其正向特性曲線左移，即正向壓降減?。环聪蛱匦郧€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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)綜上所述，二極管的伏安特性具有以下特點(diǎn)：二極管具有單向?qū)щ娦?；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(guān)。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.3半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Eg>6eVEg絕緣體半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)體第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)禁帶寬度的大小實(shí)際上是反映了價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量，也就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量。Si的原子序數(shù)比Ge的小，則Si的價(jià)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(jià)鍵還具有極性，對(duì)價(jià)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(dǎo)體的禁帶寬度更要大得多，因?yàn)槠鋬r(jià)鍵的極性更強(qiáng)。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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)直接帶隙半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶最小值(導(dǎo)帶底)和滿帶最大值在k空間中同一位置。電子要躍遷到導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)間接帶隙半導(dǎo)體材料:導(dǎo)帶最小值（導(dǎo)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(dòng)量。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的對(duì)比分析價(jià)帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值都位于k空間的原點(diǎn)上價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，只要求能量的改變，而電子的準(zhǔn)動(dòng)量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷直接躍遷對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為直接禁帶半導(dǎo)體例子：GaAs，GaN，ZnO價(jià)帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值不位于k空間的原點(diǎn)上價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，不僅要求電子的能量要改變，電子的準(zhǔn)動(dòng)量也要改變，稱為間接躍遷間接躍遷對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為間接禁帶半導(dǎo)體例子：Si，Ge第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)直接躍遷和間接躍遷考慮到光子的動(dòng)量較小，可以忽略;因而電子吸收或放出一個(gè)光子，發(fā)生躍遷時(shí)電子的動(dòng)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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)GaN是直接帶隙的材料，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，寬帶隙的GaN基半導(dǎo)體在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、激光器和紫外探測(cè)器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景；對(duì)環(huán)保，其還是很適合于環(huán)保的材料體系。陰極引線陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽(yáng)極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽(yáng)極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽(yáng)極(

d

)

符號(hào)D1.4半導(dǎo)體二極管第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體二極管A：陽(yáng)極/正極B：陰極/負(fù)極二極管的伏安特性與PN結(jié)伏安特性一致。二極管主要參數(shù)：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(fù)時(shí)間tre5、溫度影響ABD第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)二極管分析

1、分析二極管的狀態(tài)：

導(dǎo)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(dǎo)通電壓）是則導(dǎo)通，否則截止。若是理想二級(jí)管，Uon=0V。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)二極管分析

2、二極管導(dǎo)通則相當(dāng)于一導(dǎo)線（理想狀態(tài)）或一個(gè)小電阻（非理想狀態(tài)）；截止則相當(dāng)于斷開的開關(guān)。第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)二極管加正向電壓（正向偏置，陽(yáng)極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(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(yáng)極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。二極管的單向?qū)щ娦缘谝徽掳雽?dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。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(shù)目越多)第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)普通二極管特殊二極管半導(dǎo)體二極整流二極管檢波二極管穩(wěn)壓二極管開關(guān)二極管快速二極管……….變?nèi)荻O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(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)作用：一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件。整流二極管的作用是利用其單向?qū)щ娦?，將交流電變成直流電。整流二極管

第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)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(dǎo)體器件.在這臨界擊穿點(diǎn)上,反向電阻降低到一個(gè)很少的數(shù)值,在這個(gè)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(jù)第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)擊穿電壓來(lái)分檔的,因?yàn)檫@種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用.其伏安特性,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)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