第5章 材料的电导性能-6

第5章材料的电导性能2009.04pn结整流原理原来p区相对n区的电势为-Φ,如果加电压V0于p区,则p区相对n区的电势为-(Φ-V0),这时势垒高度为e(Φ-V0)如果V0为正电压,则能带图中势垒将降低。势垒不再能完全抵消电子和空穴的扩散作用在平衡条件下,电子浓度在p区和n区之比为同理,在平衡条件下，空穴浓度在p区和n区之比为当施加外电压V0而引起静电势改变在低注入条件下，注入的少数载流子浓度比多数载流子浓度小得多，因此P区耗尽层边界的电子浓度同理有n区耗尽层边界的空穴浓度由于外电压存在，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。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净复合率U与多余少数载流子浓度成正比，比例常数1/τp，τp为多余少数载流子寿命在热平衡下U=0，净符合率U与多余少数载流子的浓度的关系为边界条件方程的解空穴在n区的扩散长度在x=xn时，由空穴产生的电流密度Jp(xn)同理，进入p区的电流密度Jn(-xp)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－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。REPN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：阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a

)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b

)面接触型阴极阳极(

d

)符号DU死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.2~0.3V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基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极集电区：面积最大1）结晶体管三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。2）场效应管（1）结构漏极D金属电极栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底

高掺杂N区(2)N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–

由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。

当栅源电压UGS=0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。SDEGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–

当UGS>0时，P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；N型导电沟道在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。当UGS>UGS（th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–N型导电沟道当UGS

UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏–源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。在一定的漏–源电压UDS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UGS(th）。(3)

特性曲线有导电沟道转移特性曲线无导电沟道开启电压UGS(th）UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏极特性曲线恒流区可变电阻区截止区

场效应管与晶体管的比较电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型

NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数

rce很高

rds很高

输出电阻输入电阻较低较高双极型三极管单极型场效应管热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极

B—E—C

G—S—D5.3超导体电子彼此之间存在各种直接或间接的相互作用与关联在极低温度下，会出现某种电子有序态，称为超导态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不是某些金属特有的5.3.1超导态三个重要特征1、不存在可观测的直流电阻昂尼斯实验2、完全的抗磁性迈斯纳效应3、超导体存在超导能隙超导体比热容、电子隧道效应、与频率相关的电磁行为和声衰减现象说明能隙的存在超导体比热容正常金属低温比热容AT+BT3在T≤TC的零磁场下，超导体比热容发生根本改变电子对热容的线性贡献变为指数形式对于低温超导体，理论和实验都表明能隙具有kTC量级5.3.2超导体三个性能指标1、超导体的临界转变温度TC,他越接近室温越好2、超导体的临界磁场强度BC。BC大小与温度T的关系为:3、超导体的临界电流密度保持超导态的最大输入电流5.3.3两类超导体I类超导体：除V、Nb、Ta以外的元素超导体M：磁化强度（负号表示抗磁性），Ba：外磁场，Bc：临界磁场强度，Tc：超导转变温度II类超导体超导体：V、Nb、Ta以及合金和化合物超导体有两个临界磁场：下临界磁场和上临界磁场在温度低于Tc条件下，外磁场Ba<Bc1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）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超导态仍具有零电阻特性当外磁场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II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BCS理论（巴丁J.Bardeen，库柏L.N.Cooper，施瑞弗J.R.Sehriffer）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）产生库柏电子对（动量和自旋方向相反的两个电子）组成库柏对的两个电子之间的这种相互吸引作用与正离子的振动有关，而且在超导体内，这些正离子的运动是相互牵连的，某个正离子的振动，会使邻近正离子也发生振动，一个个传下去，形成了一个以声速在晶格上传播的波动，即格波两个电子的相互作用范围为10-6-10-9m材料变成超导态时，由于电子结成库柏对，使能量降低为一种稳定态。一个超导电子对的能量比形成它的单独的两个正常态的电子的能量低T=0时，能隙最大当电子对获得的能量大于时就进入正常态，即电子对被拆开成两个独立的正常态电子当温度或外磁场强度增加时，电子对获得能量，能隙减小当温