模拟电子技术基础(高等教育出版社 第四版)1.1 半导体基础知识

模拟电子技术基础第四版童诗白华成英主编高等教育出版社第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3晶体三极管1.4场效应管1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体一、半导体自然界物质按其导电能力分为导体、半导体、绝缘体。1.导体自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。2.绝缘体有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如惰性气体、橡皮、陶瓷、塑料和石英。3.半导体有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。半导体具有如下重要特性:(1)热敏性:有些半导体对温度敏感,其导电能力随环境温度的升高而明显增加,利用这一特性可做成各种热敏元件,如热敏电阻、温度传感器等。(2)光敏性:有些半导体在受光照时,其导电性能明显增强,利用这一特性可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光电管等。(3)掺杂性:在纯净半导体中掺入微量元素（杂质）,可使半导体导电能力明显增强，利用这一特性可制成各种的半导体器件。半导体的上述特性是由其内部的原子结构和原子间结合方式决定的。二、本征半导体1.本征半导体共价键结构硅和锗均为四价元素，原子最外层有四个电子，称为价电子。这四个价电子决定元素的化学性质和晶体结构。+4硅和锗的原子结构简化模型纯净的（99.9…9%，9个9以上）具有晶体结构的半导体称为本征半导体。硅或锗原子组成晶体后，原子间距离很近，价电子不仅受所属原子核作用，而且受相邻原子核吸引，使一对价电子为相邻原子核共有，形成共价键。本征半导体结构示意图共价键共用电子对本征半导体共价键结构在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为零，相当于绝缘体。在常温下(T=300K)，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的数目一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的数目加大。2.本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。无外加电场,电子和空穴运动是随机、无规则的,不形成电流。有外加电场，自由电子做定向运动形成电子电流；价电子按一定方向填补空穴,等效成空穴运动形成空穴电流。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。载流子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子数目增大，导电性增强。3.本征半导体载流子浓度单位体积内的载流子数为载流子浓度。本征激发产生电子空穴对；复合使二者同时消失。在一定温度下，电子空穴对的产生和复合不断进行，最后达到动态平衡（在单位时间内，本征激发产生多少电子空穴对，同时也复合多少电子空穴对，使载流子浓度维持一个定值）。kTEiiGOeTKpn2231温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。1.1.2杂质半导体本征半导体中载流子数目有限，导电能力低。为提高半导体导电能力，在本征半导体中掺入某些微量的杂质元素，掺杂后的半导体称为杂质半导体。杂质半导体的某种载流子浓度大大增加。按掺杂元素不同，分为N型半导体和P型半导体。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为电子半导体。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空穴半导体。一、N型半导体在纯净的硅晶体中掺入少量的五价元素磷，形成N型半导体。晶体点阵中某些位置上的硅原子被磷原子取代。磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的硅原子形成共价键，还多出一个电子，这个电子不受共价键的束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子（不是载流子）。每个磷原子“施舍”出一个自由电子，故称为施主原子。多余电子磷（P）55多数载流子在掺入磷元素以后，提供了大量的自由电子，增加了空穴与电子的复合机会，使本征激发产生的空穴数目减少。在掺入五价元素的N型半导体中，自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。N型半导体结构和模型5N型半导体结构示意图++++++++++++++++++++++++N型半导体模型示意图二、P型半导体在纯净的硅晶体中掺入少量的三价元素硼，形成P型半导体。晶体点阵中某些位置上的硅原子被硼原子取代。3硼（B）硼原子的最外层有三个价电子,与四个相邻的硅原子组成共价键时,其中一个共价键缺少一个电子,形成一个空位。临近硅原子共价键中的价电子很容易被激发填补此空位,这样硼原子就成了不能移动的带负电的离子（不是载流子）。每个硼原子“接受”一个价电子,而产生一个空穴,故称为受主原子。3多数载流子在掺入硼元素以后，提供了大量的空穴，增加了空穴与电子的复合机会，使本征激发产生的自由电子数目减少。在掺入三价元素的P型半导体中，空穴是多数载流子（多子），自由电子是少数载流子（少子）。P型半导体结构和模型P型半导体结构示意图3－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体模型示意图注意1.杂质半导体载流子来源于两方面。（1）本征激发产生的电子-空穴对。这部分载流子数量少，但随温度升高明显增加；（2）掺杂。由杂质元素提供。掺杂后，可使一种载流子数量增加，另一种载流子数量减少。2.杂质半导体就整体来说仍保持电中性。在晶体的任何一个空间正负电荷数目相等。（1）N型半导体:自由电子数=空穴数+正离子数（2）P型半导体:空穴数=自由电子数+负离子数1.1.3PN结通过不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了PN结。PN结具有单向导电性，是构成半导体器件的基本单元。一、PN结的形成物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，P区出现负离子区，N区出现正离子区,形成空间电荷区，产生内电场,不利于扩散运动的继续进行。P区空穴浓度远高于N区N区自由电子浓度远高于P区扩散运动PN结的形成在电场力作用下所产生的运动称为漂移运动。漂移运动使P区的自由电子向N区运动，N区的空穴向P区运动。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动注意1.PN结内同时存在载流子两种运动。（1）浓度差引起的多子扩散运动；（2）电场作用下的少子漂移运动。2.PN结的形成扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，阻碍多子扩散，有利于少子的漂移；漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，又有利于扩散运动，最终达到动态平衡，形成PN结。3.空间电荷区具有一定宽度，电位差为Uho，电流为零。二、PN结的单向导电性在PN结的两端外加电压，将破坏原来的平衡状态。外加电压极性不同，PN结呈现不同的导电性能，即单向导电性。当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为外加正向电压，简称正偏；当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为外加反向电压，简称反偏。1.PN结加正向电压导通耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性•低电阻•大的正向扩散电流2.PN结加反向电压截止耗尽层变宽，阻止扩散运动，加剧漂移运动，形成漂移电流。由于反向电流很小，故可近似认为其截止。iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性•高电阻•很小的反向漂移电流(反向饱和电流)注意1.PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，处于导通状态；2.PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，认为处于截止状态。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性--正向导通，反向截止。三、PN结的电流方程PN结所加端电压u与流过它的电流i关系：)1()1(TUuSkTquSeIeIi式中：IS为反向饱和电流；UT为温度的电压当量，且在常温（T=300K）下:mVqkTUT26四、PN结的伏安特性1.正向特性加正向电压，且uUT时，TUuSeIi)1(TUuSeIi2.反向特性加反向电压，且|u|UT时，SIi3.反向击穿：当PN结的反向电压超过一定数值U(BR)时，反向电流急剧增加，此现象称为PN结的反向击穿。齐纳击穿：参杂浓度较高，反向电压低雪崩击穿：参杂浓度较低，反向电压高正向特性反向特性五、PN结的电容效应1.势垒电容：PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容：PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。3.结电容：PN结的结电容Cj是Cb和Cd之和。dbjCCC一般Cb和Cd很小，对低频信号呈现很大容抗，其作用可忽略不计；信号频率较高时，才考虑结电容的作用。例判断下列说法是否正确，用√和x表示。1.在本征半导体中如果掺入五价元素可形成N行半导体，掺入三价元素可形成P型半导体。（）2.在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）3.因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（）4.PN结在无光照，无外加电压时，结电流为零。（）5.PN结加正向电压时，空间电荷区将变窄。()√√√√X