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1、模拟电子技术基础第四版童诗白 华成英 主编高等教育出版社高等教育出版社半导体基础知识(23)课件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 场效应管场效应管半导体基础知识(23)课件1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.11.1.1本征半导体本征半导体一、半导体一、半导体 自然界物质按其导电能力分为导体、半导体、绝缘体。自然界物质按其导电能力分为导体、半导体、绝缘体。 1. 1.导体导体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。都是导
2、体。 2. 2.绝缘体绝缘体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如惰性气有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如惰性气体、橡皮、陶瓷、塑料和石英。体、橡皮、陶瓷、塑料和石英。 3. 3.半导体半导体 有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。常用的半导体材料是硅（常用的半导体材料是硅（Si)Si)和锗和锗(Ge)(Ge)。半导体基础知识(23)课件半导体具有如下重要特性半导体具有如下重要特性:(1) 热敏性热敏性: 有些半导体对温度敏感有些半导体对温度敏感,
3、 其导电能力随环境温度其导电能力随环境温度的升高而明显增加的升高而明显增加, 利用这一特性可做成各种热敏元件利用这一特性可做成各种热敏元件, 如如热敏电阻、热敏电阻、 温度传感器等。温度传感器等。 (2) 光敏性光敏性: 有些半导体在受光照时有些半导体在受光照时,其导电性能明显增强其导电性能明显增强, 利用这一特性可做成各种光敏元件利用这一特性可做成各种光敏元件, 如光敏电阻、光电管等。如光敏电阻、光电管等。(3) 掺杂性掺杂性: 在纯净半导体中掺入微量元素（杂质）在纯净半导体中掺入微量元素（杂质）, 可使半可使半导体导电能力明显增强，导体导电能力明显增强， 利用这一特性可制成各种的半导体利用
4、这一特性可制成各种的半导体器件。器件。 半导体的上述特性是由其内部的原子结构和原子间结合半导体的上述特性是由其内部的原子结构和原子间结合方式决定的。方式决定的。半导体基础知识(23)课件二、本征半导体二、本征半导体 1. 本征半导体本征半导体共价键结构共价键结构 硅和锗均为四价元素，硅和锗均为四价元素，原子最外层有四个电子，原子最外层有四个电子，称为价电子。这四个价电称为价电子。这四个价电子决定元素的化学性质和子决定元素的化学性质和晶体结构。晶体结构。 +4硅和锗的原子结构简化模型硅和锗的原子结构简化模型 纯净的（纯净的（99.99%99.99%，9 9个个9 9以上）具有晶体结构的以上）具有
5、晶体结构的半导体称为半导体称为本征半导体本征半导体。半导体基础知识(23)课件 硅或锗原子组成晶体后，原子间距离很近，价电子硅或锗原子组成晶体后，原子间距离很近，价电子不仅受所属原子核作用，而且受相邻原子核吸引，使一不仅受所属原子核作用，而且受相邻原子核吸引，使一对价电子为相邻原子核共有，形成对价电子为相邻原子核共有，形成共价键共价键。本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图共价键共共价键共用电子对用电子对本征半导体本征半导体共价键结构共价键结构半导体基础知识(23)课件 在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界和没有外界激发时激发时, ,价电子完全被共价键束缚着，价电子完全被共价键束缚着，本
6、征半导体中没有可以运动的带电本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即粒子（即载流子载流子），它的导电能力），它的导电能力为为零零，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。 在常温下在常温下( (T=300K) )，由于热激发，使一些价电子获得，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，成为足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共，同时共价键上留下一个空位，称为价键上留下一个空位，称为空穴空穴。半导体在热激发下产生。半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为自由电子和空穴对的现象称为本征激发本征激发。自由电子与空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为相碰同时消失，称为复合复
7、合。 一定温度下，自由电子与空穴对的数目一定；温度升一定温度下，自由电子与空穴对的数目一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的数目加大。穴对的数目加大。半导体基础知识(23)课件2. 本征半导体本征半导体中的两种载流子中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。无外加电场无外加电场,电子和空穴运动是电子和空穴运动是随机、无规则的随机、无规则的,不形成电流。不形成电流。有外加电场，自由电子做定向有外加电场，自由电子做定向运动形成电子电流；价电子按运动形成电子电流；价电子按一定方向填补空穴一定方向填
8、补空穴,等效成空穴等效成空穴运动形成空穴电流。运动形成空穴电流。本征半导体本征半导体中有两种载流中有两种载流子：子：自由电子和空穴自由电子和空穴。载流子载流子 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子数目增大，导电性增强。差。温度升高，热运动加剧，载流子数目增大，导电性增强。半导体基础知识(23)课件3. 本征半导体本征半导体载流子浓度载流子浓度单位体积内的载流子数为单位体积内的载流子数为载流子浓度载流子
9、浓度。 本征激发产生电子空穴对；复合使二者同时消失。本征激发产生电子空穴对；复合使二者同时消失。在一定温度下，电子空穴对的产生和复合不断进行，最在一定温度下，电子空穴对的产生和复合不断进行，最后达到动态平衡（在单位时间内，本征激发产生多少电后达到动态平衡（在单位时间内，本征激发产生多少电子空穴对，同时也复合多少电子空穴对，使载流子浓度子空穴对，同时也复合多少电子空穴对，使载流子浓度维持一个定值）。维持一个定值）。 温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。力越强。半导体基础知识(23)课件1.1.2 杂质半导体杂质半导体 本征半导体中载
10、流子数目有限，导电能力低。为提高本征半导体中载流子数目有限，导电能力低。为提高半导体导电能力，在本征半导体中掺入某些微量的杂质元半导体导电能力，在本征半导体中掺入某些微量的杂质元素，掺杂后的半导体称为素，掺杂后的半导体称为杂质半导体杂质半导体。 杂质半导体的某种载流子浓度大大增加。按掺杂元素杂质半导体的某种载流子浓度大大增加。按掺杂元素不同，分为不同，分为N 型半导体型半导体和和P 型半导体型半导体。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，也称：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为电子半导体。为电子半导体。P 型半导体型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空：空穴浓
11、度大大增加的杂质半导体，也称为空穴半导体。穴半导体。半导体基础知识(23)课件一、一、N 型半导体型半导体 在纯净的硅晶体中掺入少在纯净的硅晶体中掺入少量的五价元素磷，形成量的五价元素磷，形成N 型半型半导体导体。晶体点阵中某些位置上晶体点阵中某些位置上的硅原子被磷原子取代。的硅原子被磷原子取代。 磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的硅磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的硅原子形成共价键，还多出一个电子，这个电子不受共价键原子形成共价键，还多出一个电子，这个电子不受共价键的束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成的束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移
12、动的带正电的离子（不是载流子）。每个磷原子了不能移动的带正电的离子（不是载流子）。每个磷原子“施舍施舍”出一个自由电子，故称为出一个自由电子，故称为施主原子施主原子。多余电子多余电子磷（磷（P）半导体基础知识(23)课件多数载流子多数载流子 在掺入磷元素以后，提在掺入磷元素以后，提供了大量的自由电子，增加供了大量的自由电子，增加了空穴与电子的复合机会，了空穴与电子的复合机会，使本征激发产生的空穴数目使本征激发产生的空穴数目减少。减少。 在在掺入五价元素的掺入五价元素的N型半导体中，自由电子是多数载型半导体中，自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。流子（多子），空穴是少数载流子
13、（少子）。 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。半导体基础知识(23)课件N 型半导体结构和模型型半导体结构和模型N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图+N 型半导体模型示意图型半导体模型示意图半导体基础知识(23)课件二、二、P 型半导体型半导体 在纯净的硅晶体中掺在纯净的硅晶体中掺入少量的三价元素硼，形入少量的三价元素硼，形成成P 型半导体型半导体。晶体点阵晶体点阵中某些位置上的硅原子被中某些位置上的硅原子被硼原子取代。硼原子取代。硼（硼（B） 硼原
14、子的最外层有三个价电子硼原子的最外层有三个价电子,与四个相邻的硅原子组成与四个相邻的硅原子组成共价键时共价键时,其中一个共价键缺少一个电子其中一个共价键缺少一个电子,形成一个空位。临形成一个空位。临近硅原子共价键中的价电子很容易被激发填补此空位近硅原子共价键中的价电子很容易被激发填补此空位,这样硼这样硼原子就成了不能移动的带负电的离子（不是载流子）。每个原子就成了不能移动的带负电的离子（不是载流子）。每个硼原子硼原子“接受接受” 一个价电子一个价电子,而产生一个空穴而产生一个空穴,故称为故称为受主原受主原子子。半导体基础知识(23)课件多数载流子多数载流子 在掺入硼元素以后，提在掺入硼元素以后
15、，提供了大量的空穴，增加了空供了大量的空穴，增加了空穴与电子的复合机会，使本穴与电子的复合机会，使本征激发产生的自由电子数目征激发产生的自由电子数目减少。减少。 在在掺入三价元素的掺入三价元素的P型半导体中，空穴是多数载流子型半导体中，空穴是多数载流子（多子），自由电子是少数载流子（少子）。（多子），自由电子是少数载流子（少子）。半导体基础知识(23)课件P 型半导体结构和模型型半导体结构和模型P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图P 型半导体模型示意图型半导体模型示意图半导体基础知识(23)课件注意注意1. 杂质半导体载流子来源于两方面。杂质半导体载流子来源于两方面。（1 1）本征激发产生
16、的电子）本征激发产生的电子- -空穴对。这部分载流子数量空穴对。这部分载流子数量少，但随温度升高明显增加；少，但随温度升高明显增加；（2 2）掺杂。由杂质元素提供。掺杂后，可使一种载流）掺杂。由杂质元素提供。掺杂后，可使一种载流子数量增加，另一种载流子数量减少。子数量增加，另一种载流子数量减少。2. 杂质半导体就整体来说杂质半导体就整体来说仍保持电中性。仍保持电中性。 在晶体的任何一个空间正负电荷数目相等。在晶体的任何一个空间正负电荷数目相等。 （1） N型半导体型半导体: : 自由电子数自由电子数 = = 空穴数空穴数 + + 正离子数正离子数 （2） P型半导体型半导体: : 空穴数空穴数
17、 = = 自由电子数自由电子数 + + 负离子数负离子数 半导体基础知识(23)课件1.1.3 PN结结 通过不同的掺杂工艺，将通过不同的掺杂工艺，将P 型半导体和型半导体和N 型半导型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了PN 结结。 PN 结具有单向导电性结具有单向导电性，是构成半导体器件的基，是构成半导体器件的基本单元。本单元。半导体基础知识(23)课件一、一、PN 结的形成结的形成 物质因浓度差而产生的运动称为物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动扩散运动。气体、液。气体、液体、固体均有之。体、固体均有之。 扩散运动使靠近接触面扩
18、散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，区的自由电子浓度降低，P 区出现负离子区，区出现负离子区，N 区出现正离子区出现正离子区区,形成空间电荷区，产生内电场形成空间电荷区，产生内电场,不利于扩散运动的继续进行。不利于扩散运动的继续进行。P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区区N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区区扩散运动扩散运动半导体基础知识(23)课件PN 结的形成结的形成在电场力作用下所产生的运动称为在电场力作用下所产生的运动称为漂移运动漂移运动。 漂移运动使漂移运动使P区的自由电子向区的自由电子向N 区运动，区运动，
19、N 区的空穴区的空穴向向P 区运动区运动 。 对于对于P 型半导体和型半导体和N 型半导体结合面，离子薄层形成型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为的空间电荷区称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。所以也称耗尽层。 参与扩散运动参与扩散运动和漂移运动的载和漂移运动的载流子数目相同，流子数目相同，达到动态平衡，达到动态平衡，就形成了就形成了PN 结结。漂移运动漂移运动半导体基础知识(23)课件注意注意1. PN 结内同时存在载流子两种运动。结内同时存在载流子两种运动。（1）浓度差引起的多子扩散运动；）浓度差引起的多子扩散运动；（2）电场作用
20、下的少子漂移运动。）电场作用下的少子漂移运动。2. PN 结的结的形成形成 扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，阻碍多扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，阻碍多子扩散，有利于少子的漂移；漂移运动使空间电荷区变子扩散，有利于少子的漂移；漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，又有利于扩散运动，最终达到动态平窄，内电场减弱，又有利于扩散运动，最终达到动态平衡，形成衡，形成PN 结。结。3.空间电荷区具有一定宽度，电位差为空间电荷区具有一定宽度，电位差为Uho，电流为零。，电流为零。半导体基础知识(23)课件二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性 在在PN 结的两端外加电压，将破坏原来的平衡状
21、态。结的两端外加电压，将破坏原来的平衡状态。外加电压极性不同，外加电压极性不同，PN 结呈现不同的导电性能，即结呈现不同的导电性能，即单单向导电性向导电性。 当外加电压使当外加电压使PN 结中结中P 区的电位高于区的电位高于N 区的电位，区的电位，称为外加正向电压，简称称为外加正向电压，简称正偏正偏；当外加电压使；当外加电压使PN 结中结中P 区的电位低于区的电位低于N 区的电位，称为外加反向电压，简称区的电位，称为外加反向电压，简称反偏反偏。半导体基础知识(23)课件1. PN 结加正向电压导通结加正向电压导通 耗尽层变窄，扩散运动加剧，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电
22、由于外电源的作用，形成扩散电流，流，PN 结处于导通状态。结处于导通状态。PN结的伏安特性结的伏安特性低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流半导体基础知识(23)课件2. PN 结加反向电压截止结加反向电压截止 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，加剧漂移运动，形成漂移电流。加剧漂移运动，形成漂移电流。由于反向电流很小，故可近似认由于反向电流很小，故可近似认为其截止。为其截止。PN结的伏安特性结的伏安特性高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 ( (反向饱和电流反向饱和电流) )半导体基础知识(23)课件注意注意 1 1. .PN 结加正向电压时，呈现低电阻
23、，具有较大的结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，处于导通状态；正向扩散电流，处于导通状态； 2. 2.PN 结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，认为处于截止状态。向漂移电流，认为处于截止状态。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN 结具有单向导电性结具有单向导电性-正向正向导通，反向截止。导通，反向截止。半导体基础知识(23)课件三、三、三、三、PN PN 结的电流方程结的电流方程结的电流方程结的电流方程PN PN 结所加端电压结所加端电压结所加端电压结所加端电压u u与流过它的电流与流过它的电流与流过它的电流与流过它
24、的电流i i 关系：关系：关系：关系：式中：式中：IS为反向饱和电流；为反向饱和电流； UT为为温度的电压当量，温度的电压当量，且且在常温（在常温（T T=300K=300K）下）下: :半导体基础知识(23)课件四、四、PN结的伏安特性结的伏安特性1. 1. 正向特性正向特性正向特性正向特性 加正向电压，且加正向电压，且加正向电压，且加正向电压，且uUuUT T时，时，时，时，2. 2.反向特性反向特性反向特性反向特性 加反向电压，且加反向电压，且加反向电压，且加反向电压，且| |u u | | U UT T时，时，时，时，3 3. . . .反向击穿反向击穿反向击穿反向击穿：当当PN结的反
25、向电压超过一定数值结的反向电压超过一定数值U U(BR)(BR)时，反向时，反向电流急剧增加，此现象称为电流急剧增加，此现象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。 齐纳击穿：齐纳击穿：齐纳击穿：齐纳击穿：参杂浓度参杂浓度参杂浓度参杂浓度较高，较高，较高，较高，反向电压反向电压反向电压反向电压低低低低 雪崩击穿：雪崩击穿：雪崩击穿：雪崩击穿：参杂浓度参杂浓度参杂浓度参杂浓度较低，较低，较低，较低，反向电压反向电压反向电压反向电压高高高高正向特性正向特性反向特性反向特性半导体基础知识(23)课件五、五、PN结的电容效应结的电容效应1. 势垒电容势垒电容： PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度结外加
26、电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容扩散电容：PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。3. 结电容结电容： PN结的结电容结的结电容Cj是是Cb和和Cd之和。之和。 一般一般Cb和和Cd很小，对低频信号呈现很大容抗，其作用很小
27、，对低频信号呈现很大容抗，其作用可忽略不计；信号频率较高时，才考虑结电容的作用。可忽略不计；信号频率较高时，才考虑结电容的作用。半导体基础知识(23)课件例例 判断下列说法是否正确，用判断下列说法是否正确，用和和 x表示。表示。1.在本征半导体中如果掺入五价元素可形成在本征半导体中如果掺入五价元素可形成N型半导体，型半导体，掺入三价元素可形成掺入三价元素可形成P型半导体。（型半导体。（ ）2.在在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为改型为P型半导体。（型半导体。（ ）3.因为因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） 4.PN结在无光照，无外加电压时，结电流为零。（结在无光照，无外加电压时，结电流为零。（ ）5.PN结加正向电压时，空间电荷区将变窄。结加正向电压时，空间电荷区将变窄。( )X半导体基础知识(23)课件
