電子技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)模擬部分李哲英

1-1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體物理的基本概念

Basicconceptsforsemiconductor

1-1-1半導(dǎo)體基本理論Theory1-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、原子的結(jié)構(gòu)atomarchitecture二、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)Massarchitecture三、絕緣體insulator、導(dǎo)體conductor、半導(dǎo)體semiconductor四、半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理一、PN結(jié)與電流控制方式currentcontrolstyle二、電場(chǎng)控制方式electronicfieldcontrol1一、Atomarchitecture+原子核電子電子自由電子價(jià)電子價(jià)電子1-1-1半導(dǎo)體基本理論價(jià)電子掙脫原子核束縛成為自由電子的現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)（也稱(chēng)熱激發(fā)）。ValenceelectronNucleus2二、Massarchitecture1-1-1半導(dǎo)體基本理論自由電子共價(jià)鍵共價(jià)鍵在一定條件下：價(jià)電子變成自由電子(激發(fā))產(chǎn)生空穴價(jià)電子或自由電子填補(bǔ)空穴(復(fù)合)空穴

自由電子、空穴稱(chēng)為載流子

自由電子的移動(dòng)形成電子流規(guī)定電流方向?yàn)殡娮恿鞯姆捶较騢oleCommonvalenceexcitate3三、絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體1-1-1半導(dǎo)體基本理論依據(jù)：物質(zhì)在外電場(chǎng)作用下形成電子流能力的大小。絕緣體Insulator：由價(jià)電子為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的原子組成，不易產(chǎn)生自由電子。導(dǎo)體conductor：在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生大量自由電子，形成電子流。半導(dǎo)體semiconductor：在自然狀態(tài)下具有絕緣體特性，當(dāng)滿(mǎn)足一定條件時(shí)具有導(dǎo)電能力。4四、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1-1-1半導(dǎo)體基本理論+32慣性核鍺原子硅原子+14

原子結(jié)構(gòu)+4價(jià)電子慣性核等效模型InertianucleusSiliconatomGermaniumatomValenceatom5四、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1-1-1半導(dǎo)體基本理論

共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅晶體的空間排列共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體晶體：

由原子按結(jié)晶方式規(guī)則排列形成。本征半導(dǎo)體：

純凈、結(jié)構(gòu)完整、絕對(duì)溫度下沒(méi)有自由電子的半導(dǎo)體。CommonValence6四、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1-1-1半導(dǎo)體基本理論

電子與空穴對(duì)本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。

本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，沒(méi)有多余的自由電子或空穴。

本征半導(dǎo)體不會(huì)在外電場(chǎng)作用下形成電流。Electronandhole7五、半導(dǎo)體導(dǎo)電原理1-1-1半導(dǎo)體基本理論

半導(dǎo)體導(dǎo)電條件有多余的電子或空穴。摻入雜質(zhì)在本征半導(dǎo)體中摻入其他元素，提高載流子濃度。

雜質(zhì)半導(dǎo)體N型：摻入五價(jià)元素。P型：摻入三價(jià)元素。N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體Impurity8五、半導(dǎo)體導(dǎo)電原理1-1-1半導(dǎo)體基本理論

半導(dǎo)體導(dǎo)電的基本方式

半導(dǎo)體導(dǎo)電的基礎(chǔ)是電子-空穴對(duì)。

半導(dǎo)體中的電流通過(guò)電子填補(bǔ)空穴方式實(shí)現(xiàn)的。

載流子移動(dòng)需要外來(lái)能源。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度成正比。

半導(dǎo)體中的電流與外加電壓之間存在非線(xiàn)性關(guān)系。Basicstyleofsemiconductor91-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PN結(jié)與電流控制方式

PN結(jié)的形成PNjunctionN區(qū)

P區(qū)

P型N型

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)擴(kuò)散diffuse:多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)漂移drift：少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)促使少子漂移阻止多子擴(kuò)散Depletionfield10偏置電壓Biasvoltage1-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PNjunctionandcurrentcontrolPN結(jié)的單向?qū)щ娦評(píng)ni-directconduction

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)偏置bias：對(duì)半導(dǎo)體器件施加外界電壓。正向偏置反向偏置PN結(jié)不導(dǎo)電PN結(jié)導(dǎo)電111-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PNjunctionandcurrentcontrolPN結(jié)的反向擊穿特性NegativebreakdownVBR電擊穿____PN結(jié)反向偏置電壓增大到一定值時(shí)，反向電流突然增加。熱擊穿____電擊穿時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，器件上長(zhǎng)時(shí)間有大反向電流而引起器件燒毀。雪崩擊穿

在反向電壓下產(chǎn)生碰撞電離并形成載流子倍增效應(yīng)，形成較大反向電流。齊納擊穿

較高外電壓破壞了共價(jià)鍵，形成大反向電流。VI0VDIS121-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PNjunctionandcurrentcontrol

PN結(jié)的V-A特性VBRIS反向飽和電流VT=kT/q0.026V(T=300K)溫度電壓當(dāng)量VD結(jié)電壓較高外電壓破壞了共價(jià)鍵，形成大反向電流。VI0VDIS非線(xiàn)性131-1-2半導(dǎo)體的電流控制方式一、PNjunctionandcurrentcontrolPN結(jié)的結(jié)電容PNjunctioncapacitorPN結(jié)兩側(cè)聚集了不同極性的電荷，這與電容器的效果是完全相同的。

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)14NPPdgsVdsIs

Vds=0，Is=0

Vds

，Is

Vds>VP,Is基本不變A

VDD過(guò)大，擊穿VP：夾斷電壓

利用PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)寬度控制導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制電流。IsVdsVP二、電場(chǎng)控制方式Electricalfieldcontrol

PN結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)控制方式（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)）15利用半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)感應(yīng)電荷的多少來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制電流。二、Electricalfieldcontrol

電場(chǎng)控制轉(zhuǎn)型方式（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)）NPdgsN鋁二氧化硅反襯層耗盡層16外加正向偏置電壓VDVI0

正向電壓與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱內(nèi)電場(chǎng)(變窄)。

擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流。

PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性，正向電阻很小。

PN結(jié)導(dǎo)電。IVP區(qū)N區(qū)

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)+-

17外加反向偏置電壓IVP區(qū)N區(qū)

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)-+

反向電壓與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)(變寬)。

漂移電流遠(yuǎn)大于擴(kuò)散電流。

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性，反向電阻很大。

PN結(jié)不導(dǎo)電。漂移電流恒定，與反向電壓大小無(wú)關(guān)，也稱(chēng)為反向飽和電流IS。VI0IS18導(dǎo)體示例

電阻很小。

易受影響。19絕緣體示例

在一定電壓范圍內(nèi)不會(huì)形成明顯電流

電阻很大

當(dāng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，也會(huì)導(dǎo)電

絕緣性受影響20半導(dǎo)體示例

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間

導(dǎo)電性能易受影響

由元素周期表中最外層為四個(gè)電子的元素所組成的物質(zhì)構(gòu)成。如：鍺、硅。21圖為PN結(jié)