《电工电子学第2版教学配套课件作者林小玲 第1章 电路和电路元件下》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子学第2版教学配套课件作者林小玲 第1章 电路和电路元件下（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第第1 1章章 电路和电路元件 电子器件 上海大学上海大学 自动化系自动化系 林小玲林小玲 1 4 电子器件 1 4 1 半导体的导电特性 1 4 2 杂质半导体 1 4 3 PN 结及其单向导电性 第1章 电路和电路元件 1 4 4 半导体二极管 1 4 5 双极型晶体管 1 4 6 绝缘栅型场效应晶体管 1 4 7 半导体光电器件 u 电子器件 主要由半导体器件组合构成 1 4 电子器件 u 半导体器件 体积小 重量轻 使用寿 命长 耗电少 u 了解半导体器件是学习电子技术的基础 1 4 1 半导体物理基础知识 n 导体 电阻率低 有良好的导电能力 如 铜 铝等金属 n 绝缘体 电阻率大
2、于1014 基本上不能导电 如 玻璃 陶瓷等 n 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间 如 硅 Si 锗 Ge 砷化镓 GaAs 等 铜导线 左上 玻璃绝缘体 左下 和硅晶体 上 半导体材料的特性 u 热敏特性 导电能力对温度变化反应灵敏 可以 制成各种半导体热敏元件 u 光敏特性 导电能力对光照敏感 光照可使半导 体的电阻率显著减小 可以制成各种光敏元件 u 掺杂特性 纯净的半导体中加入微量杂质 其电 阻率会发生很大变化 导电能力可增加几十万乃至几 百万倍 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本 征半导体 征半导体 晶体中原子的排列方式晶体中原子的排
3、列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子 称为共价键中的两个电子 称为价电子价电子 Si Si Si Si 价电子 1 4 1 半导体物理基础知识 本征半导体 动画 Si Si Si Si 价电子 价电子在获得一定能价电子在获得一定能 量 温度升高或受光照 量 温度升高或受光照 后 即可挣脱原子核的束后 即可挣脱原子核的束 缚 成为缚 成为自由电子自由电子 带负 带负 电 同时共价键中留下电 同时共价键中留下 一个空位 称为一个空位 称为空穴空穴 带 带 正电 正电 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 这一现象称为本征激发 空穴 温度愈高 晶体中产温度愈
4、高 晶体中产 生的自由电子便愈多 生的自由电子便愈多 自由电子 在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子 来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当于空来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当于空 穴的运动 相当于正电荷的移动 穴的运动 相当于正电荷的移动 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时 在半导体中将出当半导体两端加上外电压时 在半导体中将出 现两部分电流现两部分电流 1 1 自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流 2 2 价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流 注意 注意 1 1 本
5、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 温度愈高 温度愈高 载流子的数目愈多载流子的数目愈多 半导体的导电性半导体的导电性 能也就愈好 能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大 所以 温度对半导体器件性能影响很大 自由电子和自由电子和空穴空穴都称为载流子都称为载流子 自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时 又不断复合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 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 半导体中载流子便维持一定的数目 几个概念 1 本征激发 当本征半导
6、体的温度升高或受到光照时 某些共价键中的价电子从外界获得能量而挣脱共价键的束缚 离开原子而成为自由电子的同时 在共价键中会留下数量 相同的空位子 空穴 这种现象称为本征激发 本征激发形成 电子 空穴对 2 自由电子 价电子获得外部能量后挣脱共价键的束缚 成为自由电子 带负电荷 3 空 穴 价电子成为自由电子后在共价键中留下的空 位 带正电荷 4 电子 空穴对 本征激发形成电子 空穴对 5 漂移电流 自由电子在电场作用下定向运动形成的电流称为漂移 电流 6 空穴电流 空穴在电场作用下定向运动形成的电流称为空穴电流 因为 相对于电子电流 价电子填补空穴的运动相当于带 正电荷的空穴在与价电子运动相反
7、的方向运动 因而空穴 相对来说带正电荷 故其运动形成空穴电流 7 复 合 自由电子在热运动过程中和空穴相遇而释放能量 造 成电子 空穴对消失 这一过程称为复合 u 在半导体中存在两种载流子 运动电荷的载 体 即 自由电子 带负电 空 穴 带正电 u 在电场作用下 电子的运动将形成电子电流 而空穴的运动则形成空穴电流 u在同一电场作用下 两种载流子的运动方向相反 但因为它们所带的电荷极性也相反 所以两种电 流的实际方向是相同的 u电子电流与空穴电流的总和即半导体中的电流 本征半导体导电特性小结 u 在绝对零度时不导电 u 温度 价电子获能量 自由电子 空穴 本征激发 u 自由电子 空穴 载流子
8、u 温度 载流子浓度 导电能力 u 自由电子释放能量跳回共价键 复合 杂质半导体 掺杂后的半导体 4 4 4 4 3 4 4 4 4 空穴 1 4 2 半导体物理基础知识 杂质半导体 1 P型半导体 形成 向本征半导体中渗 入少量的3价元素 特点 1 含有大量的空 穴 空穴是多数载流子 2 含有少量的电子 电子是少数载流子 掺杂后空穴数目大掺杂后空穴数目大 量增加 空穴导电成为量增加 空穴导电成为 这种半导体的主要导电这种半导体的主要导电 方式 称为空穴半导体方式 称为空穴半导体 或或 P P型半导体 型半导体 掺入三价元素掺入三价元素 Si Si Si Si 在在 P P 型半导体中型半导体
9、中空穴是多空穴是多 数载流子 自由电子是少数数载流子 自由电子是少数 载流子 载流子 B 硼原子 接受一个接受一个 电子变为电子变为 负离子负离子 空穴 2 N型半导体 形成 向本征半导体中渗 入少量的5价元素 特点 1 含有大量的电子 电子是多数载流子 2 含有少量的空穴 空穴是少数载流子 4 4 4 4 5 4 4 4 4 自由电子 掺杂后自由电子数掺杂后自由电子数 目大量增加 自由电子导目大量增加 自由电子导 电成为这种半导体的主要电成为这种半导体的主要 导电方式 称为电子半导导电方式 称为电子半导 体或体或N N型半导体 型半导体 掺入五价元素掺入五价元素 Si Si Si Si p
10、多 余 电 子 磷原子 在常温下即可 变为自由电子 失去一个 电子变为 正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 形成杂质半导体 形成杂质半导体 在在N N 型半导体中型半导体中自由电子自由电子 是多数载流子 空穴是少数是多数载流子 空穴是少数 载流子 载流子 无论无论N N型或型或P P型半导体都是中性的 对外不显电性 型半导体都是中性的 对外不显电性 结论 u 不论P型或N型半导体 掺杂越多 掺杂浓度越 大 多子数目就越多 多子浓度就越大 少子数目 越少 其浓度也小 u 掺杂后 多子浓度都将远大于少子浓度 且即 使是少量掺杂 载流子都会有几个数
11、量级的增加 表明其导电能力显著增大 u 在杂质半导体中 多子浓度近似等于掺杂浓度 其值与温度几乎无关 而少子浓度也将随温度升 高而显著增大 直到少子浓度增大与多子浓度相当 不绝对相等 杂质半导体又回复到类似的本征 半导体 注意 u 在今后的分析中 我们会遇到这样的问 题 少子浓度的温度敏感特性是导致半导体 器件温度特性变差的主要原因 u 而掺入不同的杂质 就能改变杂质半导 体的导电类型 这也是制造PN结和半导体器 件的一种主要方法 本节小结 1 半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2 在一定温度下 本征半导体因本征激发而产生 自由电子和空穴对 故其有一定的导电能力 3 本征半导体的导电能力主
12、要由温度决定 杂质 半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定 4 P型半导体中空穴是多子 自由电子是少子 N 型半导体中自由电子是多子 空穴是少子 5 半导体的导电能力与温度 光强 杂质浓度和 材料性质有关 1 1 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 a a 掺杂浓度 掺杂浓度 b b 温度 有关 温度 有关 2 2 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 a a 掺杂浓度 掺杂浓度 b b 温度 有关 温度 有关 3 3 当温度升高时 少子的数量当温度升高时 少子的数量 a a 减少 减少 b b 不变 不变 c c 增多 增多 a a b b c c 4 4
13、 在外加电压的作用下 在外加电压的作用下 P P 型半导体中的电流型半导体中的电流 主要是主要是 N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 a a 电子电流 电子电流 b b 空穴电流 空穴电流 b b a a 多子的扩散运动 内电场 少子的漂移运动 浓度差 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 内电场越强 漂移内电场越强 漂移 运动越强 而漂移使空运动越强 而漂移使空 间电荷区变薄 间电荷区变薄 扩散的结果 使空间电荷区变 宽 空间电荷区也称 PN 结 扩散和漂扩散和漂 移这一对相反移这一对相反 的运动最终达的运动最终达 到动态平衡 到动态平衡 空间电荷区的空间电荷区
14、的 厚度固定不变厚度固定不变 形成空间电荷区 1 4 3 PN结及其单向导电性 1 4 3 1 PN结形成 1 4 3 2 PN 1 4 3 2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1 PN 1 PN 结加正向电压结加正向电压 正向偏置 正向偏置 PN 结变窄 P接正 N接负 外电场 IF 内电场被内电场被 削弱 多子削弱 多子 的扩散加强的扩散加强 形成较大 形成较大 的扩散电流的扩散电流 PN PN 结加正向电压时 结加正向电压时 PNPN结变窄 正向电流较大结变窄 正向电流较大 正向电阻较小 正向电阻较小 PNPN结处于导通状态 结处于导通状态 内电场 PN 2 PN 2 PN 结加反向电
15、压 反向偏置 结加反向电压 反向偏置 外电场外电场 P P接负 接负 N N接正接正 内电场内电场 P P N N PN PN 结变宽结变宽 2 PN 2 PN 结加反向电压 反向偏置 结加反向电压 反向偏置 外电场外电场 内电场被 加强 少子的 漂移加强 由 于少子数量很 少 形成很小 的反向电流 IR P P接负 接负 N N接正接正 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 PN PN 结加反向电压时 结加反向电压时 PNPN结变宽 反向电流较小结变宽 反向电流较小 反向电阻较大 反向电阻较大 PNPN结处于截止状态 结处于截止状态 内电
16、场内电场 P P N N 几个重要概念 几个重要概念 扩散运动扩散运动 P P型和型和N N型半导体结合在一起时 型半导体结合在一起时 由于交界面 接触界 两侧多子和少子的浓度有很大差别由于交界面 接触界 两侧多子和少子的浓度有很大差别 N N区的电子必然向区的电子必然向P P区运动 区运动 P P区的空穴也向区的空穴也向N N区运动 这区运动 这 种由于种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动 浓度差而引起的运动称为扩散运动 漂移运动漂移运动 在扩散运动同时 在扩散运动同时 PNPN结构内部形结构内部形 成电荷区 或称阻挡层 耗尽区等 空间电荷区在成电荷区 或称阻挡层 耗尽区等 空间电荷区在内内 部形成电场的作用下部形成电场的作用下 少子会定向运动产生漂移 即 少子会定向运动产生漂移 即N N区区 空穴向空穴向P P区漂移 区漂移 P P区的电子向区的电子向N N区漂移 区漂移 空间电荷区空间电荷区 在在PNPN结的交界面附近 由于结的交界面附近 由于 扩散运动使电子与空穴复合 多子的浓度下降 则在扩散运动使电子与空穴复合 多子的浓度下降 则在P P 区和区和N N区分别出现了由不能移动
