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文檔簡介
第一章常用的半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)①導(dǎo)體:非常容易導(dǎo)電一般金屬都是導(dǎo)體②絕緣體:基本不導(dǎo)電如:橡膠、陶瓷、塑料等③半導(dǎo)體:導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng),形成電流。高價(jià)元素,原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)常用的硅、鍺均為四價(jià)元素結(jié)構(gòu):低價(jià)元素,最外層電子少于4個(gè)1.1.1本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中,用的最多的半導(dǎo)體材料是硅和鍺,它們的最外層電子(價(jià)電子)都是四個(gè)。GeSi通過一定的提純工藝過程,可以將半導(dǎo)體制成晶體。完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,稱為本征半導(dǎo)體。即本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)一、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)
晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣,它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有,并為它們所束縛,形成本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子
常溫下價(jià)電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子,因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。
溫度升高或受到光的照射時(shí),有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛,而參與導(dǎo)電,成為自由電子。+4+4+4+4自由電子(帶負(fù)電)空穴原子帶正電空穴帶正電
半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對出現(xiàn)的,稱為電子空穴對。本征半導(dǎo)體外加電場:①自由電子定向移動(dòng),形成電子電流②價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴,空穴定向移動(dòng),形成空穴電流本征半導(dǎo)體電流是兩個(gè)電流之和。本征半導(dǎo)體中有兩種載流子,自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。特殊性質(zhì)電子空穴對D:\模電\第1章常用半導(dǎo)體器件\動(dòng)畫\電子空穴對的產(chǎn)生.avi的產(chǎn)生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度
一定溫度下,本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的,且自由電子與空穴的濃度相等。
溫度升高,熱運(yùn)動(dòng)加劇,自由電子增多,空穴也隨之增多,即載流子的濃度升高,導(dǎo)電性能增強(qiáng)。本征半導(dǎo)體載流子的濃度是環(huán)境溫度的函數(shù)。T=0K,自由電子與空穴的濃度均為零,本征半導(dǎo)體為絕緣體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能很差,且與環(huán)境溫度密切相關(guān)。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入摻入少量合適的雜質(zhì)元素?fù)饺胛鍍r(jià)元素(如磷)一、N型半導(dǎo)體+4+4+5+4多余電子
雜質(zhì)原子最外層有五個(gè)價(jià)電子,除了與其它硅原子形成共價(jià)鍵,還多出一個(gè)電子。自由電子常溫下,熱激發(fā)正離子施主原子雜質(zhì)原子可以提供電子,稱之為施主原子。N型半導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生: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(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴對。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度,所以,自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度,主要靠自由電子導(dǎo)電。∴
N型半導(dǎo)體中:自由電子為多數(shù)載流子(多子),空穴為少數(shù)載流子(少子)。注:摻入雜質(zhì)的濃度不同,導(dǎo)電性不同二、P型半導(dǎo)體
雜質(zhì)原子最外層有三個(gè)價(jià)電子,與周圍原子形成共價(jià)鍵會(huì)形成空位。硅原子的外層電子來填補(bǔ)空位,在共價(jià)鍵中產(chǎn)生空穴。P型半導(dǎo)體中,空穴為多子,自由電子為少子。摻入三價(jià)元素(如硼)+4+4+3+4空穴受主原子雜質(zhì)半導(dǎo)體簡化模型負(fù)電子(受主原子)P型半導(dǎo)體空穴自由電子正電子(施主原子)自由電子空穴N型半導(dǎo)體1.1.3PN結(jié)一、PN結(jié)的形成將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一硅片上
在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面處,兩種載流子的濃度差很大,載流子進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散交界面處自由電子與空穴復(fù)合
P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū),N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū),它們是不能移動(dòng)的,稱為空間電荷區(qū)。形成內(nèi)電場,由N區(qū)指向P區(qū)。阻止多子擴(kuò)散動(dòng)畫:PN結(jié)的形成促使少子漂移最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面,形成PN結(jié)。------------------------P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)逐漸變寬漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)逐漸變窄擴(kuò)散電流等于漂移電流,PN結(jié)內(nèi)沒有電流流過。
當(dāng)擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡后,空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)電場電位就相對穩(wěn)定下來。此時(shí),有多少個(gè)多子擴(kuò)散到對方,就有多少個(gè)少子從對方飄移過來,二者產(chǎn)生的電流大小相等,方向相反。因此,在相對平衡時(shí),流過PN結(jié)的電流為0。內(nèi)電場空間電荷區(qū)耗盡層電子空穴P區(qū)N區(qū)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
在PN結(jié)的兩端外加電壓,破外原來的平衡狀態(tài)。①外加正向電壓電源正極接PN結(jié)的P端,負(fù)極接N端②外加反向電壓電源負(fù)極接PN結(jié)的P端,正極接N端P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位,稱為正向偏置或正向接法。
(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況
外加的正向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反,削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱,擴(kuò)散電流加大。
PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖所示。
擴(kuò)散電流源源不斷進(jìn)行,形成正向電流,PN結(jié)導(dǎo)通。
(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況
外加的反向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同,加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行,加劇漂移運(yùn)動(dòng),形成反向電流。
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。
PN結(jié)外加正向電壓,具有較大的正向擴(kuò)散電流;由此可以得出結(jié)論:PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加反向電壓時(shí),具有很小的反向漂移電流?,F(xiàn)象:注:PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)結(jié)壓降只有零點(diǎn)幾伏,所以應(yīng)在它所在回路串聯(lián)一個(gè)電阻,以限制回路電流,防止PN結(jié)因正向電流過大而損壞。
1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與
(a.摻雜濃度、b.溫度)有關(guān)。
2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與
。
(a.摻雜濃度、b.溫度)有關(guān)。
3.當(dāng)溫度升高時(shí),少子的數(shù)量
。
(a.減少、b.不變、c.增多)abc思考題:三、PN結(jié)的電流方程
理論分析表明:PN結(jié)所加端電壓u與流過它的電流i的關(guān)系為:IS—反向飽和電流,q—電子的電量k—玻爾茲曼常數(shù),T—熱力學(xué)溫度令UT=kT/q,則得:常溫下,即T=300K時(shí),UT≈26mV。
當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓,且u>>UT時(shí),即i隨u按指數(shù)規(guī)律變化;
當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓,且|u|>>UT時(shí),四、PN結(jié)的伏安特性當(dāng)反向電壓超過一定數(shù)值后,反向電流急劇增加,稱為反向擊穿。擊穿:齊納擊穿、雪崩擊穿i≈-IS①齊納擊穿②雪崩擊穿摻雜濃度越高,耗盡層寬度窄不大的反向電壓就可在耗盡層形成很強(qiáng)的電場,而直接破壞共價(jià)鍵,使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛,產(chǎn)生電子—空穴對,致使電流急劇增大?!帻R納擊穿電壓較低,一般低于4V摻雜濃度較低,耗盡層寬度寬低電壓下不會(huì)發(fā)生齊納擊穿,當(dāng)反向電壓增加到較大數(shù)值時(shí),耗盡層的電場使少子加快漂移速度,從而與共價(jià)鍵中的價(jià)電子相碰撞,把價(jià)電子撞出共價(jià)鍵,產(chǎn)生電子—空穴對,新產(chǎn)生的電子與空穴被電場加速后又撞出其它價(jià)電子,載流子雪崩式地倍增,致使電流急劇增加。雪崩擊穿電壓一般大于6V
擊穿電壓介于4V~6V,齊納擊穿和雪崩擊穿有可能同時(shí)發(fā)生。
當(dāng)電擊穿后,繼續(xù)提高反向電壓,流過PN結(jié)的反向電流增大到一定值,會(huì)使PN結(jié)因過熱而損壞。(熱擊穿)
PN結(jié)的擊穿并不意味著損壞,但是若不對電流加以限制都均可能造成PN結(jié)的永久損壞。當(dāng)反向電壓增加使PN結(jié)剛開始擊穿時(shí),反向電流還不大,此時(shí)若降低反向電壓,PN結(jié)仍能正常工作。(電擊穿)
五、PN結(jié)的電容效應(yīng)(2)擴(kuò)散電容Cd(1)勢壘電容Cb表征耗盡層內(nèi)電荷量的變化。表征耗盡層外中性區(qū)(P區(qū)和N區(qū))內(nèi)電荷量的變化。PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng),它由兩方面的因素決定。(1)勢壘電容Cb
PN結(jié)外加電壓變化時(shí),空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化,有電荷的積累和釋放的過程,與電容的充放電相同,其等效電容稱為勢壘電容Cb。(2)
擴(kuò)散電容Cd
PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí),在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化,也有電荷的積累和釋放的過程,其等效電容稱為擴(kuò)散
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