第5章 材料的电导性能-6

1、第5章 材料的电导性能2009.04pnpn结整流原理o原来p区相对n区的电势为-,如果加电压V0于p区,则p区相对n区的电势为-(- V0),这时势垒高度为e(- V0)如果V0为正电压,则能带图中势垒将降低。o势垒不再能完全抵消电子和空穴的扩散作用o在平衡条件下,电子浓度在p区和n区之比为00exp()npnenkTo同理, 在平衡条件下，空穴浓度在p区和n区之比为o当施加外电压V0而引起静电势改变00exp()pnpepkT()exponpeVnnkTo在低注入条件下，注入的少数载流子浓度比多数载流子浓度小得多，因此oP区耗尽层边界的电子浓度o同理有n区耗尽层边界的空穴浓度0nnnn0e

2、xpoppeVnnkT00exp1onnneVpppkT00exp1opppeVnnnkTo由于外电压存在，注入的空穴不断向n区扩散，扩散流为 ，在扩散过程中不断复合消失。o根据连续性方程，在稳态情况下，由扩散流不均匀而造成的积累率与非平衡载流子的净复合率相等，向n区扩散的空穴的积累率为o净复合率U与多余少数载流子浓度成正比，比例常数1/p，p为多余少数载流子寿命npdpDdxnpdpdDdxdxo在热平衡下U=0，净符合率U与多余少数载流子的浓度的关系为0nnpppU0nnnppdpppdDdxdx2020nnnppd pppdxDo边界条件nxx时，00exp1onnneVpppkT0,n

3、nxpp 时方程的解00exp1 exponnnnpeVxxpppkTLpppLD空穴在n区的扩散长度在x=xn时，由空穴产生的电流密度Jp(xn)00()exp1npnpnpxnpeDdpeVJxeDpdxLkT o同理，进入p区的电流密度Jn(-xp)00()exp1ppnpnxpndneVeDnJxeDndxLkT Dn表示电子扩散系数，Ln是电子的扩散长度通过pn结界面的总电流J为00()()exp1pnnpeVJJxJxJkT000pnnppneD peD nJLL+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩

4、散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。REPN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线

5、阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号DU死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.20.3V反向击穿电压UBR+-+反向饱和电流，硅管达10-9A,锗管10-5AI外电场不能克服PN结内电场对多子扩散运动的阻力，故正向电流很小反向电流的大小基本保持恒定，与反向电压的高低无关3. 结晶体管和场效应管1）结晶体管BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO输出特性输出特性IC(mA )1234U

6、CE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC= IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB。2） 场效应管漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结结。 当栅源电压当栅源电压UG

7、S = 0 时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。SDEGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 当当UGS 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道型导电沟道当当UGS UGS(th(th）后，场后，场效应管才形成导电沟道，效

8、应管才形成导电沟道，开始导通，开始导通，若漏若漏源之间源之间加上一定的电压加上一定的电压UDS，则则有漏极电流有漏极电流ID产生。在产生。在一定的一定的UDS下下漏极电流漏极电流ID的大小与栅源电压的大小与栅源电压UGS有有关。所以，场效应管是关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器一种电压控制电流的器件。件。 在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(thth）。有导电沟道有导电沟道无导电无导电沟道沟道UDSUGS/ID/mAUDS/Vo oUGS= 1VUGS= 2VUGS= 3VU

9、GS= 4V20020 mA/V51m g421010 1471010 对应电极对应电极 BEC GSD5.3 超导体o电子彼此之间存在各种直接或间接的相互作用与关联o在极低温度下，会出现某种电子有序态，称为超导态o超导态中传导电子表现的性质不同于理想费米气，实质上是具有相互作用的费米系统在低温下的一个宏观量子现象o不是某些金属特有的5.3.1 超导态三个重要特征o正常金属低温比热容AT+BT3o在TTC的零磁场下，超导体比热容发生根本改变o电子对热容的线性贡献变为指数形式o对于低温超导体，理论和实验都表明能隙 具有kTC量级2exp/()kT5.3.2超导体三个性能指标201cccTBBT5

10、.3.3 两类超导体o有两个临界磁场：下临界磁场和上临界磁场o在温度低于Tc条件下，外磁场BaBc1时，II类超导体与I类超导体相似，都处于迈斯纳状态（B=0），当外磁场Ba介于Bc1和Bc2之间时，II类超导体处于混合态（也称涡旋态）o部分区域有磁感应线穿过，属于正常态，它的周围却是超导态o超导态仍具有零电阻特性o当外磁场Ba达到Bc2时，正常态数目增多到彼此相接触，整体超导体都变成了正常态oII类超导体按其磁化曲线是否可逆，又分为理想的和非理想的II超导体5.3.4超导现象的物理本质oBCS理论（巴丁J. Bardeen，库柏L. N. Cooper，施瑞弗J. R. Sehriffer）o超导体中的电子在超导态时，电子之间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力o使电子双双结成电子对（超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果）o产生库柏电子对（动量和自旋方向相反的两个电子）21226.41ccT