模拟电子技术基础 教学课件 作者 武小红 1 半导体器件基础.ppt

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1、半导体的基础知识1.1半导体二极管1.2双极型晶体管1.3第1章半导体器件基础1.1半导体的基础知识根据物体导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三大类。导体是容易导电的物质，比如：金、银、铜、铝、铁等金属物质。绝缘体是难于导电的物质，比如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等绝缘物质。半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si），锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等。1.1.1本征半导体热敏性光敏性掺杂性1半导体特性半导体的导电特性主要表现在以下三个方面:本征半导体是一种纯净的具有晶体结构的半导体。T=0K

2、时，本征半导体是绝缘体，内部没有自由电子。本征硅（锗）的原子按一定规律排列成紧密、整齐的晶体点阵结构。每个硅(锗)原子最外层的四个价电子与相邻的四个硅（锗）原子的各一个价电子形成四对“共价键”结构。2本征半导体的晶体结构图1-1共价键结构3本征激发当温度升高或受到外部激发能量时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发。在自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，其正电量与电子的负电量相等，称呈现正电性的这个空位为空穴。因本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成

3、对出现的，称为电子空穴对。在外电场的作用下，自由电子作定向运动形成电子流，带正电的空穴作定向运动形成空穴流，所以自由电子和空穴都是能参与导电的粒子，称为载流子。如图1-2所示，如果在a处出现一个空穴，则b处的电子填补a处的空穴，从而使空穴由a→b。图1-2电子和空穴的移动4本征半导体中载流子浓度当温度一定时，由本征激发产生的自由电子空穴对与复合的自由电子空穴对数目相等，激发和复合达到动态平衡。此时，本征半导体中自由电子的浓度和空穴的浓度是相等的。本征半导体的载流子浓度随着温度的升高按指数规律增加。所以，温度是影响半导体导电性

4、能的主要因素。在T=0K时，自由电子和空穴的浓度均为零；在T=300K时，硅材料的本征半导体载流子浓度ni=pi=1.43×1010/cm3，锗材料的本征半导体载流子浓度ni=pi=2.38×1013/cm3。1.1.2杂质半导体1P型半导体在硅或锗本征半导体中掺入微量的三价元素（如硼或铟等）得到的杂质半导体称为P型半导体。P型半导体中空穴的浓度远远大于电子的浓度，所以称空穴为多数载流子（简称多子），主要由掺杂形成，多子浓度取决于杂质浓度，掺入杂质越多，多子浓度越大；电子为少数载流子（简称少子），由本征激发形成，其浓度主要取

5、决于温度，温度越高，少子浓度越大。。图1-3P型半导体1.1.3PN结采取不同的掺杂工艺，将N型和P型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。1PN结的形成多子的扩散运动。少子的漂移运动。当载流子的漂移运动与扩散运动相当时，交界面处的正负离子数不再增加，空间电荷区宽度不再变化，达到动态平衡状态，则形成PN结。由于内电场阻碍载流子的扩散，所以PN结又称为阻挡层。因空间电荷区内几乎没有载流子，载流子被“耗尽”了，因此，PN结又称为耗尽层。图1-5PN结2.PN结的单向导电性PN结加正

6、向电压，PN结的正偏，多子扩散运动增强，而少子漂移运动减弱，使PN结空间电荷区变窄，形成明显的正向电流，PN结导通。PN结加反向电压，PN结的反偏，多子扩散运动减弱，而少子漂移运动增强，使空间电荷区变宽，形成反向电流，PN结截止。图1-6PN结加正向电压图1-7PN结加反向电压3.PN结的伏安特性PN结的伏安特性是指PN结两端的外加电压u与流过PN结的电流i之间的关系曲线。PN结的伏安特性关系可以用如下的肖克莱方程表示u为PN结的外加电压；i为流过PN结的电流；是反向饱和电流，UT是温度的电压当量。当PN结的反偏电压超过到一

7、定数值UBR时，共价键遭到破坏，产生电子-空穴对，反向电流急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿图1-8PN结的伏安特性如图1-9所示，温度T1高于温度T2，温度升高时，PN结的伏安特性曲线第1象限曲线左移，第3象限曲线下移。图1-9PN结的伏安特性与温度关系4.PN结的电容效应当外加电压使PN结上压降发生变化时，空间电荷区里存储的电荷量随之变化，空间电荷区的宽度相应改变。这种现象和电容的充、放电过程相似，PN结的这种电容效应称为势垒电容。PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。PN结的这种电容效

8、应称为扩散电容。势垒电容CB和扩散电容CD之和称为PN结的结电容，记为CJ，即有CJ＝CB＋CD。1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构和类型在PN结上接上引线和加装上封装，就构成一个半导体二极管，简称二极管。P区引出端称为阳极（又称正极），N区引出端称为阴极（又称负极）。二极管按照制造