從半導(dǎo)體到電晶體課件

Chapter5從半導(dǎo)體到電晶體的

有趣歷程Jie.yao1本章重點一覽5.1半導(dǎo)體物理特性電子與電洞歐姆定律5.2摻雜元素N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體5.3pn界面P與N的串聯(lián)正向偏壓反向偏壓2本章重點一覽5.4兩個pn界面(電晶體)BJT的發(fā)明5.5電晶體特性三種模式(cutoff,saturation,active)特性曲線5.6結(jié)語35.1半導(dǎo)體物理特性矽元素是最常用的半導(dǎo)體材料SiSiSiSiSiSiSiSiSi鏈結(jié)電子絕對零度時的矽元素，所有電子皆為共價鍵所束縛而無法自由活動，故導(dǎo)電性為零，此時它是一個絕緣體。55.1半導(dǎo)體物理特性SiSiSiSiSiSi自由電子SiSiSi電洞當溫度高於絕對零度時，部分鍵結(jié)電子會吸收熱能掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，在原來的共價鍵上留下一個空洞，稱為電洞(hole)。65.1半導(dǎo)體物理特性對純半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)而言，自由電子的濃度(n)等於電洞濃度(p) n=p=ni由半導(dǎo)體物理可知

B=5.41031(和半導(dǎo)體材料有關(guān))

Eg=1.12eV(半導(dǎo)體材料帶隙能量)k=8.62105eV/K(波茲曼常數(shù))T是絕對溫度75.1半導(dǎo)體物理特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介於導(dǎo)體與絕緣體之間，所以是製作電阻的良好材料。當有外加電場Ｅ時，半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受到電場吸引，會往正電位方向移動而形成電流。電子移動的速度，稱為漂移速度，與E成正比：n為電子的移動率(mobility)，和材料有關(guān)。95.1半導(dǎo)體物理特性電子移動便形成電流，方向與電子移動方向相反。同理電洞受到電場吸引也會移動而形成電流，行為與電子相似，但移動的方向剛好相反。105.1半導(dǎo)體物理特性圖5.3(a)SiSiSiSiSiSiSiSiSi電洞＋ －圖5.3(b)SiSiSiSiSiSiSiSiSi電洞＋ －假如在圖形左側(cè)加上正電壓，則位於電洞右方的電子會受到正電位吸引而填補該電洞原來的位置上留下一個新的電洞，等效上好像電洞受到負電位吸引而向右移動，方向剛好和電子移動的方向相反115.2摻雜元素使半導(dǎo)體成為有用的第一步，是藉著摻雜(doping)別種元素以改變它的導(dǎo)電性。n型半導(dǎo)體：在純矽中摻入帶五個價電子的元素如磷(P)原子

p型半導(dǎo)體：在純矽中摻入帶三個價電子的元素如硼(B)原子135.2摻雜元素n型半導(dǎo)體SiSiSiSipSiSiSiSi自由電子在純矽中摻入五價元素磷(P)原子，P原子最外層有五顆價電子，其中四顆會分別與相鄰的四顆Si原子的外層電子鍵結(jié)，剩下的一顆便自然成為自由電子，我們稱P原子為捐贈者(donor)，因為它捐了一顆電子出來。

145.2摻雜元素n型半導(dǎo)體的自由電子濃度nn主要由摻入的P原子濃度ND所決定熱平衡時，半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子濃度與電洞濃度的乘積不受影響

155.2摻雜元素p型半導(dǎo)體加入三價元素如硼(B)原子，B原子最外層有三顆價電子，它們會分別與相鄰四顆Si原子其中三顆的價電子鍵結(jié)，剩下的一顆Si原子之價電子便形成欠缺鍵結(jié)電子的電洞。當外加電場時，電洞會吸引鄰近的鍵結(jié)電子移動而改變Si的導(dǎo)電性，其行為類似帶正電荷的自由電子。我們稱摻入的B原子為接受者(acceptor)，因為它形成一個電洞等著接受一顆電子來填補

SiSiSiSiSiSiSiBSi電洞175.2摻雜元素p型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要由摻入的B原子濃度NA所決定，且自由電子濃度與電洞濃度的乘積不受摻入原子所影響，因此在p型半導(dǎo)體內(nèi)，由於np<<NA，所以稱電洞為多數(shù)載子，而自由電子為少數(shù)載子185.2摻雜元素利用摻雜三價或五價原子我們可以改變Si的導(dǎo)電性在純矽半導(dǎo)體摻雜五價原子在純矽半導(dǎo)體摻雜三價原子195.3pn界面圖5.8空乏區(qū)pn+VoP型與n型的交界面因為n型半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子越過界面並與界面附近p型半導(dǎo)體內(nèi)的電洞結(jié)合，而p型半導(dǎo)體內(nèi)的電洞也會越過界面並與n型半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子結(jié)合，因而形成一個幾乎沒有電子與電洞的空乏區(qū)(depletionregion)++++++++215.3pn界面p型半導(dǎo)體空乏區(qū)內(nèi)的負離子會增加n型半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子越過pn界面的阻力，而n型半導(dǎo)體空乏區(qū)內(nèi)的正離子會增加p型半導(dǎo)體內(nèi)的電洞越過pn界面的阻力因此在pn界面會自然形成一道位能障礙(potentialbarrier)，阻止自由電子和電洞繼續(xù)越過pn界面，最後達到穩(wěn)定狀態(tài)225.3pn界面正向偏壓外加電壓會降低pn界面的位能障礙，當V足夠大時，pn界面的位能障礙降得很低大量n型半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子越過pn界面，並與p型半導(dǎo)體內(nèi)的電洞結(jié)合；而大量p型半導(dǎo)體內(nèi)的電洞也越過pn界面，並與自由電子結(jié)合而消失。在此情況下，pn半導(dǎo)體的行為近似於導(dǎo)體，因為在固定電壓下能產(chǎn)生大量的電流?？辗^(qū)pnI+V++++235.3pn界面流經(jīng)pn界面的電流(I)與外加電壓(V)之間的關(guān)係IS為反向飽和電流(reversesaturationcurrent)

255.3pn界面反向偏壓外加電壓提高了pn界面的位能障礙，使得n型半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子及p型半導(dǎo)體內(nèi)的電洞很難越過pn界面，因此電流趨近於零在反向偏壓的情況下，它的行為近似一個絕緣體。由於外加電壓的極性使自由電子與電洞被吸引離開pn界面，故形成更寬廣的空乏區(qū)?？辗^(qū)pnI=0+V++++++++++++265.3pn界面以上p型和n型半導(dǎo)體的組合便是先前學(xué)習過的二極體，其中p型半導(dǎo)體是陽極，而n型半導(dǎo)體為陰極。所以二極體是利用pn界面的特性，成為一顆具方向性的元件。

+-275.4兩個pn界面(電晶體)刻意將中間的p型半導(dǎo)體做得很薄將其中一塊n型半導(dǎo)體的摻雜濃度大幅提高(n+)，使得兩塊n型半導(dǎo)體成為不對稱的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)它的行為和兩顆二極體的組合顯著不同，此一發(fā)現(xiàn)正式宣告電晶體的來臨n+ p nEmitterBaseCollector295.4兩個pn界面(電晶體)VBE<Vcut-inB-E界面處於截止狀態(tài)，幾乎沒有自由電子或電洞能越過B-E界面，故電流為零VBE>Vcut-in

B-E界面處於導(dǎo)通狀態(tài)，大量的自由電子由Emitter飛向Base，數(shù)量由VBE決定VBE+電子流動方向n+

pn VCE+305.4兩個pn界面(電晶體)VBE>Vcut-in

當VCE=0V由Emitter飛向Base的自由電子全部由B極流出。當0<VCE<0.3V由Emitter飛向Base的自由電子受到Collector正電位吸引，一部分會越過B-C界面由Collector流出，另一部分則由Base流出。當VCE

0.3V時絕大部分由Emitter飛向Base的自由電子都被吸引由Collector流出，僅極少數(shù)由B極流出VBE+電子流動方向n+

pn VCE+315.4兩個pn界面(電晶體)以上的特性和二極體大不相同，所以是一顆嶄新的元件。這顆三端元件稱為雙極性界面電晶體(BipolarJunctionTransistor,BJT)。工作原理整理利用Emitter的高濃度自由電子(n+)主導(dǎo)整個元件的導(dǎo)電行為，相形之下電洞的作用很小。利用VBE控制Emitter高濃度自由電子的流量。將Base做得很薄，使VCE得以控制流向Base及Collector的比例325.5電晶體特性截止模式(cutoffmode) 當VBE<Vcut-in，幾乎沒有自由電子或電洞越過B-E界面，所有電流皆為零飽和模式(saturationmode) 當VBE>Vcut-in，B-E界面處於導(dǎo)通狀態(tài)。假如0VVCE<0.3V，此時電晶體處於飽和模式

主動模式(activemode)當VBE>Vcut-in，B-E界面處於導(dǎo)通狀態(tài)，假如VCE

0.3V，則電晶體處於主動模式。BCE335.5電晶體特性主動模式(activemode) IC和VBE的關(guān)係和二極體相同且不受VCE影響

IC和IB呈比例關(guān)係345.5電晶體特性由KCL得到

355.5電晶體特性特性曲線saturationmodeactivemodecutoff