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1、第第一一章章 半导体器件概述半导体器件概述第章第章 半导体器件概述半导体器件概述 1 1 PN结及二极管结及二极管1 1 PN结及二极管结及二极管 1 2 半导半导体体三极三极管管体管体管 1 3 半导体场效应管半导体场效应管 1 4 集成运算放大器集成运算放大器 2012 2 261 1 1 PN结及结及二二极管极管1 1 PN结及极管结及极管 1 1 1 半导体及PN结 1 1 2 二极管的基本特性 1 1 3 二极管的主要参数及电路模型1 1 3极管的主要参数及电路模型 1 1 4 特殊二极管 根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导 体绝缘体和半导体体 绝缘体和半导体 半导体的电阻率
2、为10 3 109 典型的半导体 有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 特点特点 导电能力可控 受控于光 热 杂质等 2012 2 262 特点特点 导电能力可控 受控于光热杂质等 1 1 1 半导体及PN结1 1 1 半导体及PN结 1 本征半导体 1 本征半导体的共价键结构 电子空穴对 本征半导体 2 电子空穴对 3 空穴的移动 本征半导体化学成分纯净的半导体本征半导体 化学成分纯净的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99 9999999 常称为 九个9 它在物理结构上呈单晶体形态 2012 2 263 它在物理结构上呈单晶体形态 1 本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素
3、 在原子最外层轨道上的 四个电子称为价电子 它们分别与周围的四个原 子的价电子形成共价键 共价键中的价电子为这 些原子所共有 并为它们所束缚 在空间形成排 有序体列有序的晶体 这种结构的立体和平面示意图见图01 01 硅晶体的空间排列 b 共价键结构平面示意图 c 2012 2 264 图01 01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 a 硅晶体的空间排列 b 共价键结构平面示意图 2 电子空穴对 2 电子空穴对 当导体处于热力学温度0K时 导体中没 有自由电子当温度升高或受到光的照射有自由电子 当温度升高或受到光的照射 时 价电子能量增高 有的价电子可以挣 脱原子核的束缚而参与导电成为自由
4、脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由 电子 象称为本也称热 自由电子产生的同时 在其原来的共价 这一现象称为本征激发 也称热激发 自由电子产的同时在其原来的共价 键中就出现了一个空位 原子的电中性被破 坏 呈现出正电性 其正电量与电子的负电坏 呈现出正电性 其正电量与电子的负电 量相等 人们常称呈现正电性的这个空位为 空穴 2012 2 265 图01 02 本征激发和复合的过程 动画1 1 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是 同时成对出现的 称为电子空穴对 游离的部 分自由电子也可能回到空穴中去 称为复合 如图01 02所示 2012 2 266 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡
5、本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡 3 空穴的移动 自由电子的定自由电子的定 向运动形成了电子 电流空穴的定向电流 空穴的定向 运动也可形成空穴 电流它们的方向电流 它们的方向 相反 只不过空穴 的运动是靠相邻共的运动是靠相邻共 价键中的价电子依 次充填空穴来实现图空穴在晶格中的移动次充填空穴来实现 的 见图01 03的 动画演示 动画1 2 图01 03 空穴在晶格中的移动 2012 2 267 动画演示 2 杂质半导体 1 N型半导体 2 P型半导体 型半导体 3 杂质对半导体导电性的影响 在本征半导体中掺入某些微量元素作 为杂质 可使半导体的导电性发生显著变 化 掺入的杂质主要是三
6、价或五价元素 化掺的杂质要是价或价元素 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体 2012 2 268 1 型半导体 1 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素 例如磷 可形 成 N型半导体 也称电子型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共价键 而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易形成自由电子 图型半导体结构示意图 因无共价键束缚而很容易形成自由电子 在N型半导体中自由电子浓度大于空穴浓度 称 图01 04 N型半导体结构示意图 为多数载流子 它主要由杂质原子提供 空穴称为少数 载流子 由热激发形成 载流子 由热激发形成 提供自由电子的五价杂质原子因
7、带正电荷而成为 正离子 因此五价杂质原子也称为施主杂质 2012 2 269 正离子 因此五价杂质原子也称为施主杂质 2 型半导体 2 P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓 铟等 形成了P型半导体 也称为空穴型半导体 因原子在与硅原子形成共价键时缺少一个价电子因原子在与硅原子形成共价键时 缺少个价电子 而在共价键中留下一个空穴 P型半导体中空穴是多数载流子 主要由掺杂形成 图01 05 P型半导体的结构示意图 电子是少数载流子 由热激发形成 空穴很容易俘获电子使杂质原子成为负离子三空穴很容易俘获电子 使杂质原子成为负离子 三 价杂质 因而也称为受主杂质 2012 2 2610
8、杂质对半导体导电性的影响 3 杂质对半导体导电性的影响 掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响 一些典型的数据如下 T 300 K室温下 本征硅的电子和空穴浓度 n p 1 4 1010 cm3 1 p 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度 n 5 1016 cm3 本征硅的原子浓度 4 96 1022 cm33 n 5 1016 cm3 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 2012 2 2611 3 PN结结 1 PN结的形成 2 PN结的单向导电性 2 PN结的单向导电性 3 PN结的伏安特性 3 PN结的伏安特性 4 PN结的电容效应
9、4 PN结的电容效应 2012 2 2612 内电场越强内电场越强漂移运漂移运内电场越强内电场越强漂移运漂移运 1 PN结的形成 少子的漂移运动少子的漂移运动 内电场越强内电场越强 漂移运漂移运内电场越强内电场越强 漂移运漂移运 动越强 而漂移使空间动越强 而漂移使空间 电荷区变薄 电荷区变薄 动越强 而漂移使空间动越强 而漂移使空间 电荷区变薄 电荷区变薄 1 PN结的形成 内电场内电场 少子的漂移运动少子的漂移运动 P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移 这这一一对相反的这对相反的这一一对相反的对相反的 这
10、对相反的这对相反的这对相反的这对相反的 运动最终达到运动最终达到 动态平衡 空动态平衡 空 运动最终达到运动最终达到 动态平衡 空动态平衡 空 多子的扩散运动多子的扩散运动浓度差浓度差 间电荷区的厚间电荷区的厚 度固定不变 度固定不变 间电荷区的厚间电荷区的厚 度固定不变 度固定不变 多子的扩散运动多子的扩散运动浓度差浓度差 扩散的结果使扩散的结果使 空间电荷区空间电荷区 也称也称 PN 结结 形成空间电荷区形成空间电荷区 2012 2 2613 空间电荷区变宽 空间电荷区变宽 也称也称 PN 结结 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半 导体
11、和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 2012 2 2614 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡对最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 对于 P型半导体和N型 半导体结合面 离子薄层形成的离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结 在空间电PN结 在空间电 荷区 由于缺少 多子所以也称多子 所以也称 耗尽层 图01 06 PN结的形成过程 动画1 3 2012 2 2615 动画1 3 两种载流子的 两种运动 动态平衡时
12、动态平衡时 形成PN结 两种运动 扩散 浓度差 漂移 电场力 PN结 空间电荷区 耗尽层 内电场 电阻 2012 2 2616 2 PN结的单向导电性 1 PN 1 PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压 正向偏置 正向偏置 正向偏置 正向偏置 PN 结变窄结变窄 P接正 接正 N接负接负 PN 结变窄结变窄 内电场被内电场被内电场被内电场被 内电场被内电场被内电场被内电场被 削弱 多子削弱 多子削弱 多子削弱 多子 的扩散加强的扩散加强的扩散加强的扩散加强 外电场外电场 I 的扩散加强的扩散加强 的扩散加强的扩散加强 形成较大的形成较大的 形成较大的形成较大的 扩散电流扩散电
13、流扩散电流扩散电流 内电场内电场 PN 外电场外电场 IF 扩散电流扩散电流 扩散电流扩散电流 PN PN 结加正向电压时 结加正向电压时 结加正向电压时 结加正向电压时 PNPN结变窄 正向电流较结变窄 正向电流较结变窄 正向电流较结变窄 正向电流较 大大 正向电阻较小正向电阻较小 大大 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 结处于导通状态结处于导通状态 2012 2 2617 大大 正向电阻较小正向电阻较小 大大 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 结处于导通状态结处于导通状态 2 PN 2 PN 结加结加反反向向电压电压结加结加反反向
14、向电压电压 反 反向偏向偏置 反置 反向偏向偏置 置 P P接负接负 接负接负 N N接正接正接正接正结加向结加向结加向结加向向偏向偏向偏向偏接负接负 接负接负 N N接正接正接正接正 内电场内电场内电场内电场 P PN N 外电场外电场外电场外电场 P PN N 2012 2 2618 2 PN 2 PN 结加结加反反向向电压电压结加结加反反向向电压电压 反 反向偏向偏置 反置 反向偏向偏置 置 P P接负接负 接负接负 N N接正接正接正接正 PN PN 结变宽结变宽结变宽结变宽 结加向结加向结加向结加向向偏向偏向偏向偏接负接负 接负接负 N N接正接正接正接正 内电场被加 强 少子的漂
15、内电场被加 强 少子的漂 移加强移加强由于由于 移加强移加强 由于由于 少子数量很少 少子数量很少 形成很小的反形成很小的反 内电场内电场内电场内电场 P PN N 外电场外电场外电场外电场 形成很小的反形成很小的反 向电流 向电流 IR P PN N PN PN 结加反向电压时结加反向电压时 结加反向电压时结加反向电压时 PNPN结变宽结变宽 反向电流较小反向电流较小 结变宽结变宽 反向电流较小反向电流较小 温度越高少子的数目越多温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加反向电流将随温度增加 温度越高少子的数目越多温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加反向电流将随温度增加 结加反向电
16、压时结加反向电压时结加反向电压时结加反向电压时结变宽结变宽反向电流较小反向电流较小结变宽结变宽反向电流较小反向电流较小 反向电阻较大 反向电阻较大 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 结处于截止状态 结处于截止状态 2012 2 2619 温度越高少子的数目越多温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加反向电流将随温度增加温度越高少子的数目越多温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加反向电流将随温度增加 PN结具有单向导电性 若外加电压使电流从P 区流到N区 PN结呈低阻性 所以电流大 反之是 高阻性 电流小 如果外加电压使PN结中 高阻性 电流小 P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 简称正偏 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 2012 2 2620 PN结正偏时 导通 PN结加正向电压时的导电情况如图01 07所示 外加的正向电压有 一部分降落在PN结区 结加向电压时的导电情况如图所示 部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向 相反 削弱了内电场削弱了内电场 相反 削弱了内电场削弱了内电场 于是 内电场对多子扩
