模电chapter2-1

1、主要内容链接主要内容链接F 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 1. 半导体材料半导体材料 2. 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3. 半导体的导电机制半导体的导电机制 4. 杂质半导体杂质半导体F 2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 1. PN结的形成结的形成 2. PN结的单向导电性结的单向导电性 3. PN结的反向击穿结的反向击穿第二章第二章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1. 半导体材料半导体材料(1) 半导体的概念半导体的概念导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为

2、半导体。(2) 常用半导体材料常用半导体材料 元素半导体材料：硅元素半导体材料：硅(Si)、锗、锗(Ge)等等 化合物半导体材料：砷化镓化合物半导体材料：砷化镓(GaAs)等等 用于掺杂或制成其它化合物半导体的材料：用于掺杂或制成其它化合物半导体的材料： 硼硼(B)、磷、磷(P)、铟、铟(In)、锑、锑(Sb)等等 cm10cm1093绝缘体电阻率导体电阻率2. 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子序数分别为硅和锗的原子序数分别为14和和32，它们的最外，它们的最外层原子轨道上均有层原子轨道上均有4个价电子个价电子，为，为四价元素四价元素。原子实：原子实：原子核和原子核和内层轨道电

3、子内层轨道电子2. 半导体的共价键结构半导体的共价键结构3. 半导体的导电机制半导体的导电机制(1) 本征半导体本征半导体本征半导体是一种完全纯净的，结构完整的晶体。本征半导体是一种完全纯净的，结构完整的晶体。(2) 半导体的导电机制半导体的导电机制 自由自由电子电子 空穴空穴 本征本征激发激发 导电导电机制机制空穴的补充说明空穴的补充说明空穴的概念：空穴的概念： 空穴不是真实的粒子，是为了描述电子运动空穴不是真实的粒子，是为了描述电子运动的方便而引入的假想粒子的方便而引入的假想粒子 空穴顺着外加电场的方向移动，它实际反映空穴顺着外加电场的方向移动，它实际反映了价电子逆着电场方向填补空穴的运动

4、了价电子逆着电场方向填补空穴的运动 每个空穴带一个单位正电荷每个空穴带一个单位正电荷在本征半导体中，自由电子和空穴是在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出成对出现现的的(常常称之为常常称之为“电子空穴对电子空穴对”)，即，即本本征半导体中自由电子和空穴两种载流子数是征半导体中自由电子和空穴两种载流子数是相等的。相等的。半导体的导电机制说明半导体的导电机制说明半导体中电子的导电分两种形式：一种是自半导体中电子的导电分两种形式：一种是自由电子在晶体中的自由移动，称为自由电子由电子在晶体中的自由移动，称为自由电子导电；一种是价电子逆着电场方向填补空穴导电；一种是价电子逆着电场方向填补空穴的运动，这种

5、填补运动是空穴的产生引起的，的运动，这种填补运动是空穴的产生引起的，且始终在原子的共价键之间进行，它可看成且始终在原子的共价键之间进行，它可看成是空穴顺着电场方向的运动，称为空穴导电。是空穴顺着电场方向的运动，称为空穴导电。所以所以半导体中存在两种半导体中存在两种载流子载流子：自由电子和自由电子和空穴，导电机制有自由电子导电和空穴导电空穴，导电机制有自由电子导电和空穴导电两种。两种。4. 杂质半导体杂质半导体如果在本征半导体中掺入微量的其它适当的元素，其如果在本征半导体中掺入微量的其它适当的元素，其导电能力会有明显改变，这称为半导体的导电能力会有明显改变，这称为半导体的“掺杂特掺杂特性性”，掺

6、入的元素叫，掺入的元素叫“杂质杂质”，掺杂后的半导体称为，掺杂后的半导体称为“杂质半导体杂质半导体”。(1) P型半导体型半导体 (空穴型半导体空穴型半导体)在本征硅或锗中掺入少量在本征硅或锗中掺入少量族元素杂质，如硼、铟、族元素杂质，如硼、铟、铝等，则构成铝等，则构成P型半导体型半导体 或空穴型半导体；或空穴型半导体；或在砷化镓中掺入少量或在砷化镓中掺入少量族或族或族元素杂质，也构成族元素杂质，也构成P型半导体。型半导体。在在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，型半导体中，空穴数远大于自由电子数，因而空穴为多数载流子，自由电子为少数载因而空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，这种半导体以

7、空穴导电为主。流子，这种半导体以空穴导电为主。(2) N型半导体型半导体 (电子型半导体电子型半导体)在本征硅或锗中在本征硅或锗中掺入少量掺入少量族元族元素杂质，如磷、素杂质，如磷、砷、锑等，则构砷、锑等，则构成成N型半导体型半导体 或或电子型半导体；电子型半导体；或在砷化镓中掺或在砷化镓中掺入少量入少量 或或族族元素杂质，也构元素杂质，也构成成N型半导体。型半导体。(2) N型半导体型半导体 (电子型半导体电子型半导体)在在 N 型 半 导型 半 导体中，自由体中，自由电子为多数电子为多数载流子，空载流子，空穴为少数载穴为少数载流子，这种流子，这种半导体以自半导体以自由电子导电由电子导电为主

8、。为主。补充说明补充说明v 任何半导体中每时每刻都有电子和空穴的产任何半导体中每时每刻都有电子和空穴的产生与消亡，在一定温度下会达到动态平衡，生与消亡，在一定温度下会达到动态平衡，即在半导体中电子和空穴的浓度是一定的。即在半导体中电子和空穴的浓度是一定的。v 任何半导体中无论有多少电子和空穴，均是任何半导体中无论有多少电子和空穴，均是电中性的。电中性的。v 半导体中的电子和空穴在无电场、无浓度差半导体中的电子和空穴在无电场、无浓度差时作杂乱无章的时作杂乱无章的热运动热运动；在有电场时，将作；在有电场时，将作定向的定向的漂移运动漂移运动；当同一种载流子存在浓度；当同一种载流子存在浓度差时，将作差

9、时，将作扩散运动扩散运动。2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性1. PN结的形成结的形成用掺杂工艺使一块半导体的一侧形成用掺杂工艺使一块半导体的一侧形成P型半导体，另型半导体，另一侧形成一侧形成N型半导体，则两种半导体交界处的一段区型半导体，则两种半导体交界处的一段区域内将形成域内将形成PN结结。空穴空穴受主负受主负离子离子自由自由电子电子施主正施主正离子离子载流子扩散示意图载流子扩散示意图 载流子浓度差载流子浓度差多子扩散运动多子扩散运动 空穴空穴 ： P区向区向N区扩散区扩散 电子电子： N区向区向P区扩散区扩散空间电荷区示意图空间电荷区示意图 多子扩散多子扩散 空间电荷区空间电荷区

10、内内(建建)电场电场 内电场内电场抑制抑制多子扩散、多子扩散、促进促进少子漂移少子漂移 少子漂移少子漂移空间电荷区变薄空间电荷区变薄内内(建建)电场减弱电场减弱多子扩散加强多子扩散加强载流子的浓度差使多子产生扩散运动，其载流子的浓度差使多子产生扩散运动，其结果使空间电荷区加宽、内电场增强，而结果使空间电荷区加宽、内电场增强，而内电场增强反过来阻止了多子的扩散、促内电场增强反过来阻止了多子的扩散、促进了少子的漂移，其结果又使空间电荷区进了少子的漂移，其结果又使空间电荷区变窄、内电场减弱，从而又促进了多子的变窄、内电场减弱，从而又促进了多子的扩散。如此相互制约，扩散。如此相互制约，当扩散运动和漂移

11、当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的运动达到动态平衡时，便形成稳定的平衡平衡PN结。结。PN结形成过程描述结形成过程描述接触电接触电位差位差势垒势垒PNPN结结耗尽区耗尽区势垒区势垒区阻挡层阻挡层2. PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结在不同极性的外加电压作用时，其导电能力有结在不同极性的外加电压作用时，其导电能力有显著差异。显著差异。外加正向电压导通，外加反向电压截止外加正向电压导通，外加反向电压截止。 (1) 外加正向电压外加正向电压 何为正向电压何为正向电压 空间电荷区发空间电荷区发生了什么变化，生了什么变化，为什么为什么 何种类型的电何种类型的电流，流向如何流，流向如

12、何当当PN结的结的P区接外加电压的正极，区接外加电压的正极，N区接外加电压区接外加电压的负极，称的负极，称PN结外加结外加正向电压正向电压(正向偏置电压，正正向偏置电压，正偏偏)。此时。此时PN结的空间电荷区被削弱，扩散电流远结的空间电荷区被削弱，扩散电流远远大于漂移电流，电路中形成远大于漂移电流，电路中形成正向电流正向电流IF，而且，而且IF会随外加电压的升高急速上升。这时称会随外加电压的升高急速上升。这时称PN结为结为导导通状态通状态，它可看成一个阻值很小的电阻。，它可看成一个阻值很小的电阻。PN结正向导电性说明结正向导电性说明(2) 外加反向电压外加反向电压 何为反向电何为反向电压压 空

13、间电荷区空间电荷区发生了什么发生了什么变化，为什变化，为什么么 何种类型的何种类型的电流，流向电流，流向如何如何当当PN结的结的P区接外加电压的负极，区接外加电压的负极，N区接外加电压区接外加电压的正极，称的正极，称PN结外加结外加反向电压反向电压(反向偏置电压，反反向偏置电压，反偏偏)。此时。此时PN结的空间电荷区增厚，扩散电流趋近结的空间电荷区增厚，扩散电流趋近于零，漂移电流较大，电路中形成于零，漂移电流较大，电路中形成反向电流反向电流IR。IR很小，它不受外加电压的影响，只和温度有关，很小，它不受外加电压的影响，只和温度有关，又称为又称为反向饱和电流反向饱和电流IS。这时称。这时称PN结

14、为结为截止状态截止状态，它可看成一个阻值很大的电阻。它可看成一个阻值很大的电阻。PN结反向导电性说明结反向导电性说明AAIs6991510101010锗：硅：(3) PN结结VI特性的表达式特性的表达式)1(/ TDVvSDeIi结的电流通过PN:Di结两端的外加电压PN:Dv温度的电压当量:TVqkTVT为电子电荷量为热力学温度为波耳兹曼常数qTk V:K)(026. 0300 TVT常温下硅硅PN结结VI特性示意图特性示意图)1(/ TDVvSDeIiTDVvSDTDeIiVv/: SDTDIiVv :VI特性随温度变化示意图特性随温度变化示意图)1(/ TDVvSDeIiT温度每上升温度每上升1 C，正向偏，正向偏置电压减小置电压减小2 2 . 5 m V温 度 每 上 升温 度 每 上 升10 C，反向饱，反向饱和电流增加和电流增加1倍倍3. PN结的反向击穿结的反向击穿如果加在如果加在PN结两端的反向电压增大到一定数值时，结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，这种现象称为反向电流突然增加，这种现象称为PN结的结的反向击反向击穿穿(电击穿电击穿)。发生击穿所需的反向电压。发生击穿所需的反向电压VBR称为称为反反向击穿电压向击穿电压。3. PN结的反向击穿结的反向击穿产生反向击穿的原因：在强电场