模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第2章.ppt

1、4-1,第二章 常用半導(dǎo)體器件原理,4-2,2.1.1 本征半導(dǎo)體,根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體,典型的半導(dǎo)體：硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等,半導(dǎo)體導(dǎo)電性能受溫度、光照和摻雜影響,2 -1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),有良好的導(dǎo)通性,對電信號起阻斷作用,導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間,4-3,外層個(gè)電子； 、共價(jià)健,半導(dǎo)體特性：半導(dǎo)體導(dǎo)電性能受 溫度、光照和摻雜影響,2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,物質(zhì)的導(dǎo)電能力由物質(zhì)原子的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)和原子間的組合方式?jīng)Q定,4-4,4-5,在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài),2.1.1 本征半導(dǎo)體,2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,單晶硅,4-6,一、半導(dǎo)體中

2、的載流子,熱力學(xué)溫度0K無外界激發(fā),2.1.1 本征半導(dǎo)體,2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,4-7,2.1.1 本征半導(dǎo)體,2、熱力學(xué)300K室溫，產(chǎn)生自由電子,一、半導(dǎo)體中的載流子,本征激發(fā),4-8,一、半導(dǎo)體中的載流子,熱力學(xué)溫度0K無外界激發(fā),自由電子： 價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子 掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電,2、熱力學(xué)300K室溫，產(chǎn)生自由電子,空穴： 價(jià)電子離開共價(jià)鍵后留下的空位稱為空穴,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā),2.1.1 本征半導(dǎo)體,2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,4-9,3、 空穴的移動,動畫2-1,空穴在晶格中的移動,4-10,本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫1-1,2.1.1 本征

3、半導(dǎo)體,二、本征激發(fā)和復(fù)合,2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,4-11,價(jià)電子獲得能量掙脫原子核的束縛，成為自由電子，從而可能參與導(dǎo)電。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā),本征激發(fā),復(fù)合,自由電子釋放能量而進(jìn)入有空位的共價(jià)鍵，使自由 電子和空穴成對消失這一現(xiàn)象稱為復(fù)合,在外電場作用下電子空穴對作定向運(yùn)動形成的電流,漂移電流,產(chǎn)生 電子空穴對,4-12,導(dǎo)電性能發(fā)生變化,N型半導(dǎo)體 (2) P型半導(dǎo)體,2.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中參入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱雜質(zhì)的半導(dǎo)體,雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素,參入少量五價(jià)元素,參入少量三價(jià)元素,2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,Text,Text,Text,參雜 結(jié)果,形成兩種半導(dǎo)體材料

4、,4-13,1）N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（例如磷），可形成 N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體,4-14,2) N型半導(dǎo)體,提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì),空穴,自由電子,電子是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成,4-15,2) P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼、鎵、銦等）形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體,空穴,4-16,2) P型半導(dǎo)體,空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì),空穴,自由電子,空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)

5、形成,4-17,本征,T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm3,摻雜,Add Your Title,摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n = p =1.41010/cm3,本征硅,Add Your Title,本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3,2.1.3 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,典型的數(shù)據(jù)如下,4-18,2.1.4 半導(dǎo)體中的電流,飄移電流,擴(kuò)散電流,在電場作用下，載流子定向運(yùn)動形成的電流。 電場越強(qiáng)，載流子濃度越大飄移電流越強(qiáng),由于載流子濃度不均勻，從濃度大處向濃度小處擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流。 擴(kuò)散電流大小

6、與濃度梯度有關(guān),2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,4-19,2.2 PN結(jié),2.2.1 PN結(jié)的形成,2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2.2.3 PN結(jié)的擊穿特性,2.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng),4-20,2.2.1 PN結(jié)的形成,N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體緊密結(jié)合在一起。在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成PN結(jié),4-21,隨著擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行， 在界面N區(qū)的一側(cè)，雜質(zhì)變成正離子； 在界面P區(qū)的一側(cè)，雜質(zhì)變成負(fù)離子。 在N型和P型半導(dǎo)體界面的N型區(qū)一側(cè)會形成正離子薄層； 在N型和P型半導(dǎo)體界面的P型區(qū)一側(cè)會形成負(fù)離子薄層。 這種離子薄層會形成一個(gè)電場，方向是從N區(qū)指向P區(qū)，稱為內(nèi)電場,4-22,內(nèi)電場的出

7、現(xiàn)及內(nèi)電場的方向會對擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生阻礙作用，限制了擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)一步發(fā)展。在半導(dǎo)體中還存在少子，內(nèi)電場的電場力會對少子產(chǎn)生作用，促使少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動,4-23,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層,4-24,在N型和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上發(fā)生物理過程總結(jié),因濃度差,空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場,內(nèi)電場促使少子漂移,內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡,多子的擴(kuò)散運(yùn)動,由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū),4-25,濃度差,擴(kuò)散運(yùn)動,電荷區(qū),電場,阻止擴(kuò)散運(yùn)動,促使漂移運(yùn)動,

8、4-26,PN結(jié)最重要的特性是單向?qū)щ娞匦?，先看如下?shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)：PN結(jié)的導(dǎo)電性。按如下方式進(jìn)行PN結(jié)導(dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)镻N結(jié)加上封裝外殼和電極引線就是二極管，所以拿一個(gè)二極管來當(dāng)成PN結(jié)。P區(qū)為正極；N區(qū)為負(fù)極。對于圖示的實(shí)驗(yàn)電路，（表示二極管負(fù)極的黑色圓環(huán)在右側(cè)。此時(shí)發(fā)光二極管導(dǎo)通而發(fā)光,電源正極,P N,發(fā)光二極管發(fā)光,2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?4-27,此時(shí)發(fā)光二極管不發(fā)光，說明PN結(jié)不導(dǎo)電。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明PN結(jié)（二極管）具有單向?qū)щ娦?N P,發(fā)光二極管熄滅,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?若P區(qū)的電位高于N區(qū)，電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大； 若P區(qū)的電位低于N區(qū)，電流從

9、N區(qū)流到P區(qū)，PN結(jié)呈高阻性，所以電流小,結(jié) 論,4-28,當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為正向偏置，簡稱正偏,當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為反向偏置，簡稱反偏,定 義,下面對PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃M(jìn)行解釋,4-29,2.2.2.1 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性,IF,4-30,2.2.2 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,PN結(jié)加反向電壓時(shí)，有一部分降落在PN結(jié)區(qū)

10、，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場,內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性,IS,在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流 IS,4-31,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?4-32,其中,IS 反向飽和電流,VT 溫度的電壓當(dāng)量,且在常溫下（T=300K,2.2.2.3 PN結(jié)的

11、I-V方程,PN結(jié)的電壓和電流之間的關(guān)系為,4-33,PN結(jié)的伏安特性曲線如圖所示。 處于第一象限的是正向伏安特性曲線， 處于第三象限的是反向伏安特性曲線,正向偏置： U0.1,反向偏置： |u|0.1,4-34,2.2.3 PN結(jié)的反向擊穿,當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加,熱擊穿不可逆,此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿,4-35,2.2.3 PN結(jié)的擊穿特性,1、雪崩擊穿,PN結(jié)的反向電壓大于某一值( )時(shí),反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿,發(fā)生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓（UBR,低參雜、高電壓,2、齊納擊穿,高參雜、低電壓,4-36,1、雪崩擊穿,條件：低參雜

12、、高電壓 （耗盡區(qū)寬碰撞機(jī)會多,對硅材料,4-37,2、齊納擊穿,條件：高摻雜、低電壓 （耗盡區(qū)窄，低電壓產(chǎn)生強(qiáng)電場,對硅材料,低電壓產(chǎn) 生強(qiáng)電場,4-38,2.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng),PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。 一是勢壘電容CB ， 二是擴(kuò)散電容CD,4-39,1) 勢壘電容CB,勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的,勢壘電容示意圖,當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電,4-40,1) 勢壘電容CB,隨著外加電壓的變化離子薄層的厚度的變化情況,外加反向電壓高,外加正向電壓低,4-41,擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的,2) 擴(kuò)散電容CD,反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形 成類似的濃度梯度分布曲線,PN結(jié)正偏時(shí) ，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線,4-42,擴(kuò)散電容示意圖,PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同,正向偏置,外加電壓不同,擴(kuò)散電流大小不同,相當(dāng)電容的充放電過程,勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容,4-43,2) 擴(kuò)散電容CD,如果引起 的電壓變化量為 則,PN結(jié)上的總電容為,4-44,溫度升高時(shí)，反向電