《电工电子学 教学课件 ppt 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 教学课件 ppt 作者 林小玲 第1章 电路和电路元件（下）（109页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 电路和电路元件,上海大学 自动化系 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,第一章 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,半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、耗电少等特点，是组成各种电子电路的核心器件，在当今的电子技术中占有主导地位。因此，了解半导体器件是学习电子技术的基础。,1.4 电子器件,引 言,1.4.1 半导体物理基础知识,半导体的导电能力会随温度、光照的变化或因掺入某些杂质而发生显著变化，这些特点决定了半导体在电子线路中的广泛用途
2、。,1.4.1 半导体物理基础知识-本征半导体,一、本征半导体,指纯单晶，理想化的。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外 层电子（价电子）都是四个。,结构：,A、纯,B、单晶,只有一种元素，没有杂质的东西（材料）常用Si,溶化后结晶，晶体的形状结构相同。,特征：,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键， 共用一对价电子,共价键：共价键就是相邻两个原子中的价电子为共用电子对而 形成的相互作用力。,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下
3、束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,辐射方法,加热,本征半导体导电性能比金属导体差很多。但它具有热敏、 光敏的特性。,如何导电？,强能量的量子撞击共价键,?,光照是一般采用的方法。,分子振动,破坏结构,电子掉下来，引起自由电子空穴,动画,几个概念,（1）本征激发：当本征半导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
4、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。,结论,一般来说： 本征半导体，在热力学温度T=0k（开尔文）和没有外界影响如：
5、光照、加热、外加电场等的条件下，其价电子均被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，所以不带电。,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 。 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， 在同一电场作用下，两种载流子的运动方向相反，是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。 电子电流与空穴电流的总和即半导体中的电流。,当本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为,从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能随温度升高而迅速增大，这一点在今后的学习中非常重要。 注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很小的百
6、分数，比如：硅的原子密度为 4.961022cm-3 因此，nisi仅为它的三万亿分之一，可见本征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率约为2.2105cm）。,杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。,N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(磷、砷、锑)等，每个杂质原子(施主原子)提供一个自由电子，从而大量增加自由电子数量。,P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(硼、铝、铟)等，每个杂质原子(受主原子)提供一个空穴，从而大量增加空穴数量。,N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，为多数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)。,P型半导体中空穴浓度远大于自由电子浓度，为多
7、数载流子(多子)，自由电子为少数载流子(少子)。,1.4.2 半导体物理基础知识-杂质半导体,杂质半导体的示意表示法：,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,结论,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。 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量级的增加，表明其导电能力显著增大。 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），
8、杂质半导体又回复到类似的本征半导体。,注意： 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。 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
9、材料性质有关。,思考题： 1. 电子导电与空穴导电有什么区别？空穴电流是不是自由电子递补空穴所形成的？ 2.杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎么产生的？为什么杂质半导体中的少数载流子比本征半导体中的浓度还小。 3.N型半导体中的自由电子多于空穴，P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，P型半导体带正电？,P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正
10、离子。上述过程如图(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图(b)所示。,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结形成,PN结形成时，其内部载流子的运动主要是由于浓度差引起的，,开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图(b)所示。 由于空间电荷区内没有载流子，所以空
11、间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结形成,几个重要概念： 扩散运动 P型和N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，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。 漂移运动 在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区在内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。, 空间电荷区 在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴
12、复合，多子的浓度下降，则在P 区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。 内部电场由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。 耗尽层在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。,PN结内部载流子的运动过程如下：（无外加电场作用时）,N 区电子P 区 ID PN结两端掺杂浓度不均 扩散运动 P 区空穴N 区 P 区：电子 与空穴复合 空间电荷区宽 复合 N 区：空穴 与电
13、子复合 内部电场Uho P 区电子 N区空间电荷区窄 漂移 少子的漂移运动 N 区空穴 P区内部电场Uho ,扩散 ID=IT 是动态平衡 趋于平衡 电场 扩散电流 ID 等于漂移电流 IT 流过空间电荷区的总电流为 0 即：PN 结中的净电流为 0。 结论： 在无外激发因素（光照、加热、电场作用）时，PN结内部的扩散与漂移运动达到动态平衡，扩散电流 ID = 漂移电流 IT，但方向相反，故此时PN结中无电流通过，形成一定的宽度的耗尽层。,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结形成,实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，见上图(b)。如果一边掺杂浓度大(重掺杂
14、)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图18(a)，(b)所示。,P,N+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,耗尽区,图18 不对称的PN结,(b),P+,N,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,耗尽区,(a),使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图1-9所示。,+,使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如图1-10所示。,图110 反向偏置的PN结,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结导电特性,动画,理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为 式中， IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时， UT =26mV。这是一个今后常用的参数。,1.4.3 半导体物理基础知识-PN结导电特性,由式可知，加正向电压时，u只要大于UT几倍以上，iIseu/UT，即i随u呈指数规律变化；加反向电压时
