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1、第6章 半导体器件的基本特性,6.1 半导体的基本知识,6.3 二极管,6.5 特殊二极管,6.4 二极管的基本电路及其分析方法,6.1 半导体的基本知识,6.1.1 半导体材料,6.1.2 半导体的共价键结构,6.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,6.1.4 杂质半导体,根据材料导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓(GaAs)等。,导 体： 电阻率 109 cm 半导体：电阻率介于前两者之间。,6.1.1 半导体材料,6.1.1 半导体材料,当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的光敏二极管可以用于光敏控制。,半
2、导体材料三大基本特性：,1.半导体的热敏性(temperature sensitive).,环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强，制成的热敏电阻可以用于温度控制。,电导率 s ,2.半导体的光敏性( light sensitive),T 1. 5 光照度,6.半导体的掺杂性 (Doping impuritive),在半导体中掺入一定浓度的杂质后，可改变半导体的导电类型，导电能力也会大幅度增加，利用这种特性可以制造出不同用途的半导体晶体管与集成电路。,晶体管,I,6.1.1 半导体材料,要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。半导体的导电能力与价电子密切相关，所以为了突出价电子的作用
3、，我们采用下图所示的简化原子结构模型。,6.1.2 半导体的共价键结构,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,本征半导体,半导体的原子结构为金刚石结构：每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点。,完全纯净、结构完整的半导体晶体。称为本征半导体。纯度 6个9(99.9999 %),半导体的晶体结构取决于原子结构。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，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。,半导体的共价键结构(coovalent bond),共价键结构,硅单晶材料,纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵
4、(称为晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。上图是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。,本征半导体的导电机理,在绝对0度(T =0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子) , 它的导电能力为0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的
5、能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,本征半导体中的载流子：,自由电子(free electron),空穴(mobile hole),空穴,自由电子,6.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,空穴共价键中的空位。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,6.1.4 杂质半导体,在本征半导体中有选择地掺入少量其它元素，可使半导体的导电性发生显著变化,这些少量元素统称为杂质。掺入
6、杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。一般采用高温扩散工艺进行掺杂.,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,1. N型半导体 ( N - type Semiconductors ),在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子很容易被激发而成为自由电子，磷原子是不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子
7、，称为施主杂质(donor impurity)。,本征硅或锗 +少量磷 N型半导体,多余电子,在N型半导体中自由电子是多数载流子( 多子 )，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子( 少子 ), 由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，由于五价原子释放电子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,施主杂质,自由电子,2. P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些原子被杂质取代。硼原子的最外层有三个价电子, 与相临的硅或锗原子形成共价键时, 产生一个空穴, 这个空穴可能吸引束缚电子来填补。 使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接
8、受电子，所以称为受主杂质(acceptor impurity) 。,本征硅或锗 +少量硼 P型半导体,空穴,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,受主杂质,杂质半导体的示意表示法,P 型半导体,N型半导体,载流子浓度=杂质浓度+热激发少子浓度,3、杂质半导体的载流子浓度 在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。 杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。用 ND表示施主原
9、子的浓度， NA表示受主原子的浓度；即对N型半导体，多子nn与少子pn有,对P型半导体，多子pp与少子np有,(12a),(12b),(13a),(13b),由以上分析可知，本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。对于多子，通过控制掺杂可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，主要由本征激发决定，因掺杂使其浓度大大减小，但温度变化时，由于ni的变化，会使少子浓度有明显变化。,4. 杂质对半导体导电性的影响,6.1.4 杂质半导体,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:,以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3
10、 。,4.961022/cm3,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,6.2 PN结的形成及特性,6.2.2 PN结的形成,6.2.3 PN结的单向导电性,6.2.4 PN结的反向击穿,6.2.5 PN结的电容效应,6.2.1 载流子的漂移与扩散,6.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动和漂移电流： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。,扩散运动和扩散电流： 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均
11、匀形成浓度差时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。,半导体中有两种载流子电子和空穴，当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流In ，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流Ip 。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即 I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。,6.2.2 PN结的形成,通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一
12、个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。,6.2.2 PN结的形成,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离子。上述过程如图32(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32(b)所示。,6.2.2 PN结的形
13、成,图32 PN结的形成,6.2.2 PN结的形成,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，空间电荷区增宽，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，如下图所示。由于空间电荷区内没有载流子，所以空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。,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形
14、成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,浓度差多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内建电场 内电场促使少子漂移，阻止多子扩散,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。也称耗尽层。,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,6.2.3 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,(1) PN结加正向电压时,低电阻 大的正向扩散电流,正向电压使
15、PN结内建电场减弱，空间电荷区变薄, 产生较大的正向扩散电流。,扩散飘移，正向电流大,6.2.3 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,(2) PN结加反向电压时,高电阻 很小的反向漂移电流,外加电场与PN结内建电场方向一致，使PN结空间电荷区变宽，扩散电流趋于零，只存在少数载流子的漂移 ,形成反向饱和电流，其数值很小，一般为微安（A）数量级。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,6.2.
16、3 PN结的单向导电性,(3) PN结V-I 特性表达式,其中,PN结的伏安特性,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,PN结方程的讨论,在室温下（T=300K），设 VD = 100 mV, 而 VT = 26 mV，, 1,所以当 VD100 mV 时， PN结方程可以简化为,同样当 VD -100 mV 时， PN结方程可以简化为,例：已知室温(T=300K)下，硅PN结外加正偏VD为0.7V,正向电流ID为1mA,求反向饱和电流IS 。,解：由,室温(T=300K)下,代入已知条件得：,6.2.4 PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,雪崩击穿,齐纳击穿,反向击穿,当 VBR4V时称为“齐纳击穿” VBR6V时
