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工业电子学全册配套最完整工业电子学全册配套最完整精品课件精品课件12 第一章 半导体器件基础3第一章第一章 半导体器件半导体器件 1.1 半导体的半导体的基基本知识本知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 半导体三极管半导体三极管 1.4 场效应晶体管场效应晶体管4导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识5半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化（热敏性和光敏性）。力明显变化（热敏性和光敏性）。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。6一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。1.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性7本征半导体：本征半导体：完全纯净的（纯度达完全纯净的（纯度达99.9999999%）、）、结构完整的半导体晶体。结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，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，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：8硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子9共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，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。本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+410二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可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（即以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力），它的导电能力为为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电自由电子子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴11+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子122.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。13温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。14这是因为这是因为游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。随着激发过程的进行，不断有电子获得能量变为复合。随着激发过程的进行，不断有电子获得能量变成自由电子，从而形成更多的空穴电子对，但是随着电成自由电子，从而形成更多的空穴电子对，但是随着电子空穴对的增多，自由电子复合的机会（撞上空穴的机子空穴对的增多，自由电子复合的机会（撞上空穴的机会）也增加了，最终单位时间内激发的自由电子数和符会）也增加了，最终单位时间内激发的自由电子数和符合的自由电子数会达到平衡。只有当温度改变的时候才合的自由电子数会达到平衡。只有当温度改变的时候才能打破这一平衡，进入到下一个平衡状态。从这里我们能打破这一平衡，进入到下一个平衡状态。从这里我们可以得出一个结论。即本征半导体中的电子浓度和空穴可以得出一个结论。即本征半导体中的电子浓度和空穴浓度只和温度有关系，是温度的函数。浓度只和温度有关系，是温度的函数。本征载流子浓度的计算我们给出一个公式：本征载流子浓度的计算我们给出一个公式：151.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。16一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷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（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，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。17+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。18二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。19三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但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由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近。近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。20从理论上讲对于掺杂半导体，空穴浓度与子浓度的乘积在从理论上讲对于掺杂半导体，空穴浓度与子浓度的乘积在一定温度下仍然是一个常数，与掺杂程度无关。一定温度下仍然是一个常数，与掺杂程度无关。所以可以所以可以通过本征半导体中载流子的浓度来计算掺杂半导体中少子通过本征半导体中载流子的浓度来计算掺杂半导体中少子的浓度。对于的浓度。对于N N型半导体来说，型半导体来说，对于对于P P型半导体来说。因此对于掺杂半体来说，型半导体来说。因此对于掺杂半体来说，掺杂以后多数载流子浓度会大大增加，比本征载流子浓度大掺杂以后多数载流子浓度会大大增加，比本征载流子浓度大很多倍；而少数载流子浓度会大大降低，比本征载流子浓度很多倍；而少数载流子浓度会大大降低，比本征载流子浓度小好多倍。小好多倍。211.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。1.2 半导体二极管半导体二极管22P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，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。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。23漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。24+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0251.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴.N区区 中中的电子（的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运扩散运动动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:261.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置