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1、 第第 1 1 章章 半导体器件半导体器件 1 1.1 半导体的基础知识 1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流 2 1. 半导体及其材料 导体 : 电阻率小于10-3cm,例如：金、银、铜。 绝缘体: 大于108cm，例如:陶瓷、云母、橡胶。 半导体: 介于导体和绝缘体之间。 常用半导体材料有: 硅（Si）、锗（Ge）等 1.1.1 本征半导体 3 掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻 率大大下降而导电能力显著增强。据此可 制作各种半导体器件，如二极管和三极管 等。 2. 半导体特性 1.1.1 本征半导体 4 光敏性：当受到光照时，
2、半导体的电阻率随着光照增强而下 降，其导电能力增强。据此可制作各种光敏元件， 如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。 2. 半导体的特性 热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导 电能力增强。据此可制作温度敏感元件，如热敏电 阻。 1.1.1 本征半导体 5 半导体的原子结构: 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈 单晶体形态。 硅(Si) 锗(Ge) 3. 本征半导体概念 1.1.1 本征半导体 6 半导体的共价键结构 共价键 共价键中的 两个价电子 原子核 3. 本征半导体概念 1.1.1 本征半导体 7 本征激发本征激发（热激发）（热激发） 4. 本征半导
3、体的导电机理 1.1.1 本征半导体 本征激发产生的空穴空穴 价价 电电 子子 价电子受热或受光照（即 获得一定能量）后，可挣脱原 子核的束缚，成为自由电子（ 带负电），同时共价键中留下 一个带正电的空穴。 该现象称为本征激发该现象称为本征激发( (热激发热激发) ) 本征激发产生的自由电子自由电子 8 本征激发本征激发（热激发）（热激发） 4. 本征半导体的导电机理 1.1.1 本征半导体 空穴空穴 价价 电电 子子 自由电子自由电子 在热激发下，本征半导体中存在 两种能参与导电的载运电荷的粒 子(载流子)： 成对的电子和空穴成对的电子和空穴 复复 合合自由电子回到共 价键结构中的现象。此时
4、电 子空穴成对消失。 9 4. 本征半导体的导电机理 1.1.1 本征半导体 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。 在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡， 半导体中载流子便维持一定的数目。 注意：注意： (1) (1) 本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少, , 其导电性能很差。其导电性能很差。 (2) (2) 温度越高，温度越高， 载流子的数目越多载流子的数目越多, ,半导体的导电性能也就半导体的导电性能也就越越好好 。可见，温度对半导体器件性能影响很大。可见，温度对半导体器件性能影响很大。 10 1.1.1 本征半导体 小结 （1） 半导体及其材料 （2）
5、半导体特性 （3） 本征半导体概念 （4） 本征半导体的导电机理 11 杂质杂质半导体半导体在本征半导体中掺入微量其它元素而得到 的半导体。 杂质半导体可分为： N型(电子)半导体和P型(空穴)半导体两类。 1.1.2 杂质半导体 12 1.1.2 杂质半导体 1.N型半导体 在本征半导体中掺入微量五价元素五价元素物质（磷、砷等）而得到 的杂质半导体。 结构图 13 1.1.2 杂质半导体 掺杂后，某些位置上的 硅原子被5价杂质原子（如磷 原子）取代。磷原子的5个价 电子中，4个价电子与邻近硅 原子的价电子形成共价键，剩 余价电子只要获取较小能量即 可成为自由电子自由电子。同时，提供电子的磷原
6、子因带正电荷而成为正 正 离子离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离施主杂质电离。5 价杂质原子又称施主杂质施主杂质。 1. N 型半导体 14 这种电子为多数载流子的杂质半导体称为N型半导体。 1.1.2 杂质半导体 可见：在N型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子（简称多子多子）；空空 穴是少数载流子穴是少数载流子（简称少子少子）。 N型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。 1.N 型半导体 15 在本征半导体中掺入微量三价元素三价元素物质（硼、铝等）而得到 的杂质半导体。 结构图 1.1.2 杂质半导体 2.P型半导体 16 1.1.2 杂质半导体 掺杂后
7、，某些位置上的 硅原子被3价杂质原子（如硼 原子）取代。硼原子有3个价 电子，与邻近硅原子的价电子 构成共价键时会形成空穴空穴， 导致共价键中的电子很容易 运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为 不能移动的负离子负离子。空穴和负离子成对产生。 上述过程称为受主杂质电离受主杂质电离。3价杂质原子又称受主杂质。受主杂质。 2. P型半导体 17 这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。 1.1.2 杂质半导体 可见：在P型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子(简称多子多子) ,自由电自由电 子是少数载流子子是少数载流子（简称少子少子）。 P型半导体中还存在来自于热激发
8、的电子-空穴对。 2.P型半导体 18 扩散运动扩散运动载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。 扩散电流扩散电流载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。 扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比 1.1.3 载流子运动方式及形成电流 1.扩散运动及扩散电流 19 漂移运动漂移运动载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。 漂移电流漂移电流载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。 漂移电流大小与电场强度成正比 1.1.3 载流子运动方式及形成电流 2.漂移运动及漂移电流 20 1.2 PN结与晶体二极管 1.2.1 PN结的基本原理 1.2.2 晶体二极管 1.2.3 晶体二极管应用电路举例
9、21 1. PN结的形成 1.2.1 PN结基本原理 在一块本征半导体的两 边掺以不同的杂质，使其一 边形成P型半导体，另一边 形成N型半导体，则在它们 交界处就出现了电子和空穴 的浓度差，于是P区空穴向N 区扩散，N区电子向P区扩散 。 另一方面，随着扩散运动的进行，P区一边失去空穴留下负 离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内 建电场。电场方向由N区指向P区，有利于P区和N区的少子漂移 运动，而阻止多子扩散运动。 22 1.PN结的形成 1.2.1 PN结基本原理 扩散交界处的浓度差 P区的一些空 穴向N区扩散 N区的一些电 子向P区扩散 P区留下带负 电的受主离子 N区
10、留下带正 电的施主离子 内建电场漂移电流 扩散电流 PN 结 动态平衡 23 U：势垒电压 U= 0.60.8V 或 0.20.3V PN结平衡 空间电荷区/耗尽层 U 内建电场 1. PN结的形成 1.2.1 PN结基本原理 24 小结 n 载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。 n 漂移运动=扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。 PN结没有电流通过。 1.2.1 PN结基本原理 25 2. PN结的特性 1.2.1 PN结基本原理 （1 1） 单向导电性单向导电性 （2 2） 击穿特性击穿特性 （3 3） 电容特性电容特性 26 (1)单向导电性 1.2.1 PN结基本原理
11、 2. PN结的特性 27 加偏压时 的耗尽层U UU 合成电场 (1)单向导电性 PNPN结加正向电压结加正向电压 1.2.1 PN结基本原理 2. PN结的特性 PN外加正向电压时，内建 电场被削弱，势垒高度下 降，空间电荷区宽度变窄 ，这使得P区和N区能越过 这个势垒的多数载流子多数载流子数 量大大增加，形成较大的 扩散电流扩散电流。 未加偏压时的耗尽层 28 流过PN结的电流随外加电 压U的增加而迅速上升，PN 结呈现为小电阻。该状态 称： U UU 合成电场 PNPN结正向导通状态结正向导通状态 1.2.1 PN结基本原理 未加偏压时的耗尽层 PNPN结加正向电压结加正向电压 加正向
12、偏压 时的耗尽层 29 加反向偏压 时的耗尽层 U U+U 合成电场 (1)单向导电性 PNPN结加反向电压结加反向电压 2. PN结的特性 1.2.1 PN结基本原理 PN外加反向电压时，内建 电场被增强，势垒高度升 高，空间电荷区宽度变宽 。这就使得多子扩散运动 很难进行，扩散电流趋于 零，而少子少子更容易产生漂漂 移运动移运动 。 未加偏压时的耗尽层 30 加反向偏压 时的耗尽层 U U+U 合成电场 流过PN结的电流称为反 向饱和电流(即IS)，PN结 呈现为大电阻。该状态 称： PNPN结反向截止状态结反向截止状态 1.2.1 PN结基本原理 未加偏压时的耗尽层 PNPN结加反向电压
13、结加反向电压 31 小结 n PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结 导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS， 考虑到IS0，则认为PN结截止。 n PN结正向导通、反向截止的特性称PN结的单向导电特性单向导电特性。 1.2.1 PN结基本原理 32 击穿击穿PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向 电流急剧增加而结两端电压基本不变的现象。 (2)击穿特性 2. PN结的特性 1.2.1 PN结基本原理 击穿不一定导致损坏。 利用PN结击穿特性可以制作稳压管。 击穿电压击穿电压U U z z 33 雪崩击穿 击穿分类 (2)击穿特性 2. PN结的特性 1.
14、2.1 PN结基本原理 齐纳击穿 34 雪崩击穿(碰撞击穿) 反向电压足够高反向电压足够高时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间 电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是 有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束 缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以 去碰撞其它的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然 剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪击穿称为雪 崩击穿或碰撞击穿崩击穿或碰撞击穿 。 (2)击穿特性 2. PN结的特性 1.2.1 PN结基本原理 35 齐纳击穿(电场击穿) 当反向电压足够高反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到1
15、05Vcm以 上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子-空穴对，使载 流子突然增多，产生击穿现象，称为齐纳击穿。 掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般 在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电 压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现 象。 (2)击穿特性 2. PN结的特性 1.2.1 PN结基本原理 36 PN结存在电容效应。这将限制器件工作频率。 分类分类 势垒电容 扩散电容 (3)电容特性 2. PN结的特性 1.2.1 PN结基本原理 37 势垒电容势垒电容 C CT T 由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的
16、 P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改 变引起的电容效应，称为势垒电容。 CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。 (3)电容特性 2. PN结的特性 1.2.1 PN结基本原理 38 扩散电容扩散电容 C CD D CD 值与PN结的正向电流I成正比 。 由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合贮存所产生。PN结加正向 电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近； 同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。 它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负 电荷混合贮存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。 (3)电容特性 2. PN结的特性 1.2.1 PN结基本原理 p ：空穴寿命 n ：电子寿命 UT ：热电压 I:正向电流 39 小结 n PN结正向运用时 CT、CD同时存在，CD起主要作用 n PN结反向运用时，只有CT 。 (3)电容特性
