半導體的基本知識76692

1、1 半導體的基本知識 1.1 PN結 導電能力介于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體，半導體器件中用的最多的是硅和鍺。半導體的特點： 當受外界熱和光的作用時，它的導電能 力明顯變化。 往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使 它的導電能力明顯改變。1 1.1.1 本征半導體一、本征半導體的結構特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體?，F(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。2 本征半導體化學成分純凈的半導體。 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。 它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。3硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對

2、+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子4共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+45二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。在常溫下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴

3、。1.載流子、自由電子和空穴 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。6可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖所示。 本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。本征激發(fā)和復合的過程72.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。8溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一

4、大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。 2. 空穴移動產生的電流。9 1.1.2 雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。N 型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。10一、N 型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，

5、這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。11+4+4+5+4多余電子磷原子N 型半導體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。12二、P 型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能

6、吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半導體中空穴是多子，電子是少子。13三、雜質半導體的示意表示法P 型半導體+N 型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。141.1.3 PN結一、 PN 結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P 型半導體和N 型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN 結。15P型半導體N型半導體+擴散運動內電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內電場越強，就使漂移

7、運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。16漂移運動P型半導體N型半導體+擴散運動內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。17+空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0181、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內電場阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:19二、 PN結的單向導電性 PN 結加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負電壓。 PN 結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

8、 P區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓。20+RE1、PN 結正向偏置內電場外電場變薄PN+_內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。212、PN 結反向偏置+內電場外電場變厚NP+_內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。RE22 PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流； PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。23 3 PN結方程其中PN結的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）24 三、 PN結的反向擊穿 當PN結的反向電壓增加到一定

9、數值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿25四、 PN結的電容效應 PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。 一是勢壘電容CB ， 二是擴散電容CD 。261 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。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖如下。27 擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內緊靠P

10、N結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。2 擴散電容CD 反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如下頁所示。28擴散電容示意圖 當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。29 2 半導體二極管PN 結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結面接觸型PN二極管的電路符號：30半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：31半導體二極管圖片323334 2.1 伏安特性UI死區(qū)電壓 硅

11、管0.5V,鍺管0.1V。導通壓降: 硅管0.60.8V,鍺管0.10.3V。反向擊穿電壓UBR35 2.2 二極管的等效電路 1. 理想模型3. 折線模型 2. 恒壓降模型36 4. 小信號模型 二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）372.3 主要參數 1. 最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。383. 反向

12、電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數，二極管的應用是主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、保護等等。下面介紹兩個交流參數。394. 微變電阻 rDiDuDIDUDQiDuDrD 是二極管特性曲線上工作點Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內的電阻。40二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0 RLu

13、iuouiuott二極管的應用舉例 二極管半波整流412.4 穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。42（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數:（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數。（3）動態(tài)電阻43穩(wěn)壓二極管的應用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術參數:負載電阻 。要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。方程144令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。方程2uoiZDZRiLiuiRL