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(diǎn)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(diǎn)一覽5.4兩個(gè)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(yǔ)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(duì)零度時(shí)的矽元素，所有電子皆為共價(jià)鍵所束縛而無(wú)法自由活動(dòng)，故導(dǎo)電性為零，此時(shí)它是一個(gè)絕緣體。55.1半導(dǎo)體物理特性SiSiSiSiSiSi自由電子SiSiSi電洞當(dāng)溫度高於絕對(duì)零度時(shí)，部分鍵結(jié)電子會(huì)吸收熱能掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，在原來(lái)的共價(jià)鍵上留下一個(gè)空洞，稱為電洞(hole)。65.1半導(dǎo)體物理特性對(duì)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(duì)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(dāng)有外加電場(chǎng)Ｅ時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受到電場(chǎng)吸引，會(huì)往正電位方向移動(dòng)而形成電流。電子移動(dòng)的速度，稱為漂移速度，與E成正比：n為電子的移動(dòng)率(mobility)，和材料有關(guān)。95.1半導(dǎo)體物理特性電子移動(dòng)便形成電流，方向與電子移動(dòng)方向相反。同理電洞受到電場(chǎng)吸引也會(huì)移動(dòng)而形成電流，行為與電子相似，但移動(dòng)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(huì)受到正電位吸引而填補(bǔ)該電洞原來(lái)的位置上留下一個(gè)新的電洞，等效上好像電洞受到負(fù)電位吸引而向右移動(dòng)，方向剛好和電子移動(dòng)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(gè)價(jià)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(gè)價(jià)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(jià)元素磷(P)原子，P原子最外層有五顆價(jià)電子，其中四顆會(huì)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(zèng)者(donor)，因?yàn)樗枇艘活w電子出來(lái)。

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(shí)，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(jià)元素如硼(B)原子，B原子最外層有三顆價(jià)電子，它們會(huì)分別與相鄰四顆Si原子其中三顆的價(jià)電子鍵結(jié)，剩下的一顆Si原子之價(jià)電子便形成欠缺鍵結(jié)電子的電洞。當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，電洞會(huì)吸引鄰近的鍵結(jié)電子移動(dòng)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?yàn)樗纬梢粋€(gè)電洞等著接受一顆電子來(lái)填補(bǔ)

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(jià)或五價(jià)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(jià)原子在純矽半導(dǎo)體摻雜三價(jià)原子195.3pn界面圖5.8空乏區(qū)pn+VoP型與n型的交界面因?yàn)閚型半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子越過(guò)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(huì)越過(guò)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(gè)幾乎沒(méi)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(fù)離子會(huì)增加n型半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子越過(guò)pn界面的阻力，而n型半導(dǎo)體空乏區(qū)內(nèi)的正離子會(huì)增加p型半導(dǎo)體內(nèi)的電洞越過(guò)pn界面的阻力因此在pn界面會(huì)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(guò)pn界面，最後達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)225.3pn界面正向偏壓外加電壓會(huì)降低pn界面的位能障礙，當(dāng)V足夠大時(shí)，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(guò)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(guò)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?yàn)樵诠潭妷合履墚a(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(guò)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(gè)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(kāi)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(xí)過(guò)的二極體，其中p型半導(dǎo)體是陽(yáng)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(gè)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(duì)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(lái)臨n+ p nEmitterBaseCollector295.4兩個(gè)pn界面(電晶體)VBE<Vcut-inB-E界面處?kù)督刂範(fàn)顟B(tài)，幾乎沒(méi)有自由電子或電洞能越過(guò)B-E界面，故電流為零VBE>Vcut-in

B-E界面處?kù)秾?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(dòng)方向n+

pn VCE+305.4兩個(gè)pn界面(電晶體)VBE>Vcut-in

當(dāng)VCE=0V由Emitter飛向Base的自由電子全部由B極流出。當(dāng)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(huì)越過(guò)B-C界面由Collector流出，另一部分則由Base流出。當(dāng)VCE

0.3V時(shí)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(dòng)方向n+

pn VCE+315.4兩個(gè)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(gè)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(dāng)VBE<Vcut-in，幾乎沒(méi)有自由電子或電洞越過(guò)B-E界面，所有電流皆為零飽和模式(saturationmode) 當(dāng)VBE>Vcut-in，B-E界面處?kù)秾?dǎo)通狀態(tài)。假如0VVCE<0.3V，此時(shí)電晶體處?kù)讹柡湍Ｊ?/p>

主動(dòng)模式(activemode)當(dāng)VBE>Vcut-in，B-E界面處?kù)秾?dǎo)通狀態(tài)，假如VCE

0.3V，則電晶體處?kù)吨鲃?dòng)模式。BCE335.5電晶體特性主動(dòng)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