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1、常用半导体器件原理常用半导体器件原理常用半导体器件原理常用半导体器件原理半导体物理基础知识 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 半导体中的载流子和电流半导体中的载流子和电流PN结 PN结的形成结的形成 PN结电流方程结电流方程 PN结的三个特性结的三个特性晶体二极管 二极管特性及参数二极管特性及参数 二极管电路分析方法和基本应用电路二极管电路分析方法和基本应用电路双极型晶体管 晶体管工作原理晶体管工作原理 伏安特性伏安特性 简化模型简化模型 工作状态分析工作状态分析场效应管 结型和绝缘栅场效应管工作原理结型和绝缘栅场效应管工作原理 特性特性 模型模型 状态分析状态分析 1/18 半导体
2、的半导体的两种载流子两种载流子两种载流子两种载流子是构成半导体器件的关键。是构成半导体器件的关键。物体的导电性：导导 体体电阻电阻率率(10-810-4)m，金、银、铜、铝金、银、铜、铝等；等；绝缘体电阻率绝缘体电阻率(10101020)m，玻璃、陶瓷玻璃、陶瓷等；等；半导体半导体电阻率电阻率(10-3109)m，硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge）、砷化镓（砷化镓（GaAs）等。等。载流子的情况：导导 体体自由电子自由电子（数量很多，大于等于原子核数）（数量很多，大于等于原子核数）绝缘体几乎没有绝缘体几乎没有 半导体半导体自由电子自由电子、空穴空穴（数量很少，远小于原子核数）（数量很少，远小于
3、原子核数）半导体物理基础半导体物理基础2/182.1.1 半导体中的载流子半导体中的载流子半导体的基本结构半导体的基本结构：44Si(14)硅原子硅原子Ge(32)锗原子锗原子共价键结构共价键结构特点：绝对零温度时，四个特点：绝对零温度时，四个价电子价电子受共价键束缚，不能自由移受共价键束缚，不能自由移 动，称其为动，称其为束缚电子束缚电子。半导体的分类半导体的分类：本征半导体本征半导体、杂质半导体杂质半导体；两种半导体两种半导体导电能力导电能力的不同。的不同。+4+4+4+43/18一、一、本征半导体 Intrinsic Semiconductor 元素元素纯净纯净、单单一一晶晶格结构的半导
4、体称为本征半导体。格结构的半导体称为本征半导体。1、本征载流子、本征载流子本征激发：本征激发：能量激发能量激发(如如温度温度升高升高)束缚电子束缚电子自由电子自由电子(负电荷负电荷)留下空位留下空位 空空 穴穴(正电荷正电荷)特点：特点：本征激发产生本征激发产生二种载流子二种载流子自由电子自由电子和和空穴空穴，且，且成对产生成对产生，故整体呈故整体呈电中性电中性。空穴：空穴：Hole空穴移动方向与束缚电子相空穴移动方向与束缚电子相反，实质是束缚电子的移动。反，实质是束缚电子的移动。+4+4+4+4+4+4+4+4+44/18自由电子与价电子自由电子与价电子(空穴空穴)的的迁移特性有区别。迁移特
5、性有区别。2、本征载流子浓度、本征载流子浓度3、本征半导体的电性能特点：、本征半导体的电性能特点：导电能力很弱导电能力很弱；室温下只有极少数原子的价电子受激发产生室温下只有极少数原子的价电子受激发产生电子空穴电子空穴对，如对，如硅硅ni=1.51010(150亿亿)，约占约占三万亿分之一三万亿分之一。导电能力对温度很敏感导电能力对温度很敏感；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大。本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大。应用：热敏电阻性元件，如温度传感器；应用：热敏电阻性元件，如温度传感器；半导体器件的基础材料。半导体器件的基础材料。热平衡载流子浓度：热平衡载流子浓度：ni pi A0
6、T3/2e-EG0/2kT (cm-3)本征激发：本征激发：自由电子空穴自由电子空穴对对产生产生复复 合：合：自由电子空穴自由电子空穴对对消失消失5/18二、二、杂质半导体 Doped Semiconductor在在本征半导体本征半导体中掺入极少量其它中掺入极少量其它元素元素（杂质杂质）的半导体。）的半导体。自由电子自由电子数数空穴空穴数数（多子多子）（少子）（少子）自由电子数自由电子数空穴空穴数数（少子）（少子）（多子多子）1、杂质半导体的载流子、杂质半导体的载流子N型型半导体半导体P型型半导体半导体类型：类型：掺杂：掺杂：五价元素（磷）五价元素（磷）施主杂质施主杂质三价元素（铝）三价元素（
7、铝）受主杂质受主杂质电荷：电荷：载流子：载流子：自由电子自由电子、空穴空穴、正正离子离子自由电子自由电子、空穴空穴、负负离子离子+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4NegativePositive6/182、杂质半导体的载流子浓度、杂质半导体的载流子浓度N型型半导体（半导体（电子电子型）型）nn pnni2pnni2/nnni2/NDP型型半导体（半导体（空穴空穴型）型）np ppni2npni2/pp ni2/NA3、杂质半导体特点：、杂质半导体特点：多子浓度主要取决于掺杂浓度，受温度影响小；多子浓度主要取决于掺杂浓度，受温度影响小；少子浓度主要取决于本征
8、激发，受温度影响大。少子浓度主要取决于本征激发，受温度影响大。多子浓度越高，少子浓度越低，二者呈反比关系。多子浓度越高，少子浓度越低，二者呈反比关系。应用：应用：制作集成电路内的电阻元件；制作集成电路内的电阻元件；制作半导体有源器件的基本单元制作半导体有源器件的基本单元 PN结。结。A.杂质半导体杂质半导体导电能力远大于导电能力远大于本征半导体；（百万倍）本征半导体；（百万倍）B.杂质半导体杂质半导体受温度影响远小于受温度影响远小于本征半导体。本征半导体。（高掺杂）（高掺杂）7/18DonorAcceptor2.1.2 半导体中的电流半导体中的电流半导体中的半导体中的两种载流子两种载流子导致半
9、导体中可有导致半导体中可有两种电流两种电流。一、漂移电流一、漂移电流 It(Drift Current)在在电场作用电场作用下，半导体中的载流子下，半导体中的载流子作作定向漂移运动定向漂移运动形成的电流。形成的电流。二、扩散电流二、扩散电流 Id(Diffusion Current)在在浓度差（梯度）浓度差（梯度）作用下，作用下，载流子作载流子作扩散运动扩散运动形成的电流。形成的电流。n(x)/p(x)oxno注注入入It8/18n、p分别是自由电子、空穴的迁移率。分别是自由电子、空穴的迁移率。Dn、Dp分别是自由电子、空穴的扩散系数。分别是自由电子、空穴的扩散系数。E小结小结概念：概念：半导
10、体的二种类型：本征半导体、杂质半导体半导体的二种类型：本征半导体、杂质半导体杂质半导体的二种类型：杂质半导体的二种类型：N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体半导体的二种载流子：半导体的二种载流子：自由电子自由电子、空穴空穴 本征半导体：本征半导体：本征激发与复合本征激发与复合 自由电子自由电子、空穴空穴成对成对 杂质半导体：杂质半导体：掺入杂质元素掺入杂质元素 五价元素：五价元素：N型型自由电子（多子），自由电子（多子），空穴（少子）空穴（少子）三价元素：三价元素：P型型自由电子（少子），自由电子（少子），空穴（多子）空穴（多子）半导体的二种电流：半导体的二种电流：电场力作用：漂移电流电场
11、力作用：漂移电流 Drift Current 浓度差作用：扩散电流浓度差作用：扩散电流 Diffusion Current9/18A4.2 PN结结 （PN Junction）通过特殊方法，把本征半导体晶片的一边做成通过特殊方法，把本征半导体晶片的一边做成P型型半导体，半导体，另一边做成另一边做成N型型半导体，其交界面形成的半导体，其交界面形成的很薄很薄的特殊物理层，的特殊物理层，称为称为PN结结。PN结是构造半导体器件的基本单元结是构造半导体器件的基本单元。P型半导体型半导体 P区区N型半导体型半导体 N区区多子空穴多子空穴少子自由电子少子自由电子三价负离子三价负离子五价正离子五价正离子多子多子自由电子自由电子少子空穴少子空穴10/184.2.1 PN结的形成结的形成空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场UB 内建电位差内建电位差内建电场内建电场多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移动态平衡：动态平衡：耗尽层、阻挡区、势垒区耗尽层、阻挡区、势垒区（高阻区高阻区）P区区N区区浓度差浓度差扩散电流扩散电流等等于于漂移电流漂移电流总电流为零总电流为零11/18
