半导体材料与器件- 第六周

半导体的基础知识主讲人：吴家刚EMAIL:msewujg@

四川大学材料科学与工程学院半导体的基础知识1.3半导体材料的特点1.5二极管1.6三极管1.7场效应管第一章1.2半导体的导电性1.4半导体的分类及能带结构1.1半导体的晶体结构N型导电

以电子为主要载流子，它是多数载流子，简称为多子，而空穴则是少数载流子-少子P型导电

以空穴为多子，电子则是少子本征导电

电子、空穴数量相等，都参与导电三种导电类型第一章半导体的基础知识半导体的分类本征半导体杂质半导体

N型半导体

P型半导体半导体的分类第一章半导体的基础知识定义：纯净的具有晶体结构的半导体。导电的特点：即自由电子和空穴均参与导电。本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象。本征半导体第一章半导体的基础知识动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失。第一章半导体的基础知识载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。

第一章半导体的基础知识结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。第一章半导体的基础知识

第一章半导体的基础知识本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流第一章半导体的基础知识自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。第一章半导体的基础知识注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。第一章半导体的基础知识杂质半导体：在本征半导体中掺入微量杂质杂质半导体导电性能发生变化杂质半导体

N型半导体

P型半导体杂质半导体第一章半导体的基础知识N型半导体/电子型半导体定义：硅晶体中掺入五价元素（磷、锑）多子：自由电子—掺杂+热激发少子：空穴—热激发第一章半导体的基础知识P型半导体/空穴型半导体定义：硅晶体中掺入三价元素(硼、铟)少子:自由电子—热激发多子:空穴—掺杂+热激发总结：多子：掺杂（主）+热激发少子：热激发（主）第一章半导体的基础知识1.在杂质半导体中多子的数量与有关

a.掺杂浓度b.温度2.在杂质半导体中少子的数量与有关

a.掺杂浓度b.温度3.当温度升高时，少子的数量

a.减少b.不变c.增多4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。a.电子电流b.空穴电流PN结的形成

多子扩散运动形成耗尽层（空间电荷区）空穴浓度：P区>N区；自由电子：P区<N区多子由浓度高—>浓度低扩散，扩散到对方复合，交界区仅剩正负离子形成耗尽层/阻挡层/空间电荷区/内电场EIN。第一章半导体的基础知识总结：PN结：由浓度差引起的多子扩散运动，它使阻挡层变宽；由内电场作用下产生的少子漂移运动，它使阻挡层变窄。当两者强度相当时，达到动态平衡。

少子漂移运动:

内电场的存在，阻止了多子的扩散，P区的少子——电子，N区少子——空穴，内电场作用下向对方移动——漂移。第一章半导体的基础知识(一)

PN结的单向导电性

加反向电压（反向偏置）P区接电源负极，N区接电源正极。外电场EEXT与内电场EIN方向相同。即加强了内电场，空间电荷区变宽，不利于多子扩散，有利于少子漂移，使漂移电流超过扩散电流，于是回路中形成反向电流IR。因为是少子产生，所以很微弱。PN结截止第一章半导体的基础知识

加正向电压（正向偏置）P区接电源正极，N区接电源负极。外电场EEXT与内电场EIN方向相反。即减弱了内电场，空间电荷区变窄，有利于多子扩散，不利于少子漂移，使漂移电流超过扩散电流，于是回路中形成正向电流IR。PN结导通第一章半导体的基础知识

PN结具有单向导电性：当正向偏置时，有较大的正向电流，电阻很小，成导通状态；反向偏置时电流很小（几乎为0），电阻很大，成截止状态。总结：第一章半导体的基础知识PN结的伏安特性

正向特性（u>0）UON：开启/导通电压硅：0.5V锗：0.1V

反向特性(u<0)

击穿特性U（RB）：击穿电压稳压管使用第一章半导体的基础知识二极管的伏安特性是指流过二极管的电流iD与加于二极管两端的电压VD之间的关系或曲线。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的V-I曲线，称二极管的伏安特性曲线。第一章半导体的基础知识二极管的伏安特性曲线1．正向特性当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小(几乎为零)，二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。第一章半导体的基础知识当正向电压升高到一定值Vth以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。Vth被称为门限电压或阀电压。

Vth视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.1V左右。在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压Vth的值，如图中虚线与横轴的交点。第一章半导体的基础知识当正向电压大于Vth以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用VF来表示。通常，硅管的导通电压约为0.6～0.8V，一般取为0.7V；锗管的导通电压约为0.1～0.3V一般取为0.2V。第一章半导体的基础知识2．反向特性当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小，且在一定的范围内几乎不随反向电压的增大而增大。但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，锗管的反向电流在μA数量级。第一章半导体的基础知识3．反向击穿特性当反向电压增大到一定数值VBR时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，此时的VBR电压值叫做击穿电压，VBR视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。第一章半导体的基础知识击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。第一章半导体的基础知识4.温度对二极管伏安特性的影响二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高1℃，其正向压降减小2～2.5mV；温度每升高10℃，反向电流大约增大1倍左右。第一章半导体的基础知识综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：二极管具有单向导电性；二极管的伏安特性具有非线性；二极管的伏安特性与温度有关。第一章半导体的基础知识1.3半导体的能带结构Eg>6eVEg绝缘体半导体价带导带导体第一章半导体的基础知识禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。Si的原子序数比Ge的小，则Si的价电子束缚得较紧，所以Si的禁带宽度比Ge的要大一些。GaAs的价键还具有极性，对价电子的束缚更紧，所以GaAs的禁带宽度更大。GaN、SiC等所谓宽禁带半导体的禁带宽度更要大得多，因为其价键的极性更强。举例Ge、Si、GaAs、GaN和金刚石的禁带宽度在室温下分别为0.66eV、1.12eV、1.42eV、3.44eV和5.47eV。直接带隙和间接带隙直接带隙间接带隙第一章半导体的基础知识直接带隙半导体材料导带最小值(导带底)和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴(形成半满能带)只需要吸收能量。第一章半导体的基础知识间接带隙半导体材料:导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。第一章半导体的基础知识直接带隙和间接带隙半导体的对比分析价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的原点上价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直接跃迁直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体例子：GaAs，GaN，ZnO价带的极大值和导带的极小值不位于k空间的原点上价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃迁间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体例子：Si，Ge第一章半导体的基础知识直接跃迁和间接跃迁考虑到光子的动量较小，可以忽略;因而电子吸收或放出一个光子，发生跃迁时电子的动量基本不变;单纯的光跃迁过程是直接跃迁，效率高;间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而发生间接跃迁的概率要小得多第一章半导体的基础知识GaN是直接带隙的材料，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级。因此，宽带隙的GaN基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器，以及高温微电子器件方面显示出广阔的应用前景；对环保，其还是很适合于环保的材料体系。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)面接触型半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)

符号D1.4半导体二极管第一章半导体的基础知识半导体二极管A：阳极/正极B：阴极/负极二极管的伏安特性与PN结伏安特性一致。二极管主要参数：1．

最大正向电流IF2．

反向击穿电压U（RB）3．

反向电流IR4．

最高工作频率FT和反向恢复时间tre5、温度影响ABD第一章半导体的基础知识二极管分析

1、分析二极管的状态：

导通还是截止---二极管的两端电压：若是反偏则截止；若是正偏还要看P的电压是否比N的电压高Uon（导通电压）是则导通，否则截止。若是理想二级管，Uon=0V。第一章半导体的基础知识二极管分析

2、二极管导通则相当于一导线（理想状态）或一个小电阻（非理想状态）；截止则相当于断开的开关。第一章半导体的基础知识二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。二极管的单向导电性第一章半导体的基础知识外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。(温度越高，载流子数目越多)第一章半导体的基础知识普通二极管特殊二极管半导体二极整流二极管检波二极管稳压二极管开关二极管快速二极管……….变容二极管发光二极管隧道二极管触发二极管……….二极管的分类第一章半导体的基础知识作用：一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。整流二极管的作用是利用其单向导电性，将交流电变成直流电。整流二极管

第一章半导体的基础知识第一章半导体的基础知识整流二极管硅管锗管高频整流二极管低频整流二极管大功率整流二极管中、小功率整流二极管金属封装塑料封装玻璃封装表面封装整流二极管封装类型稳压二极管稳压二极管又叫齐纳二极管;此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据第一章半导体的基础知识击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压.发光二极管第一章半