模拟电子电路基础11

1.1半导体材料及导电特性1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3漂移电流与扩散电流引言返回引言：１．什么是半导体：电阻率ρ介于导体和绝缘体之间固体按导电性能上可分为三类：导体：ρ＜10－4Ω.cm如：金、银、铜、铝绝缘体：ρ＞1012Ω.cm如：云母、陶瓷半导体:ρ=10－3~109Ω。Cm如：硅Si(Silicon)ρ=105Ω.cm锗Ge(Germanium)ρ=4.7103Ω.cm砷化镓GaAsρ=109Ω.cm2.注意ρ的单位：Ω。Cm定义：cmcmcmlAR23.半导体具有其它特性：对ρ影响较大的因素：杂质，温度，光照1.1半导体材料及导电特性返回1.1.1本征半导体定义:没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体.(一)本征半导体的共价键结构1Si、Ge原子结构模型143244惯性核Si(14)和Ge(32)因外层都有4个价电子，由于外层价电子受原子核的束缚力小，许多物理现象是由外层价电子数决定，为了更方便研究价电子的作用常把原子核和内层电子看作一个整体,称为惯性核。价电子返回2共价键结构1.1.1本征半导体（intrinsicsemiconductor）当Si（或Ge）原子组成单晶体后，各原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要受相邻原子的作用，量子力学证明：原子中电子具有的能量状态是离散的，量子化的，每一个能量状态对应于一个能级，一系列能级形成能带。根据原子的理论：原子外层电子有8个才能处于稳定状态。因此Si（或Ge）单晶体每个原子都从四周相邻原子得到4个价电子才能组成稳定状态。即每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个原子都共用一对价电子。形成共价键结构。444444444在Si或Ge单晶体中，价电子处于束缚状态，其能量较低，处于较低的能带称为价带。而自由电子处较高的能带称为导带。由于价电子至少要获得Eg的能量才能挣脱共价键的束缚成为自由电子，因此自由电子所占有的最低能级要比价电子可能占有的最高能级高出Eg。于是Si（或Ge）晶体中的能量分布中有一段间隙不可能被电子所占有。其宽度为Eg，称为禁带宽度。Eg一般与半导体材料和温度T有关：T=0k(-273.160c)时，T=300k（室温）Eg0(Si)=1.21evEg(Si)=1.12evEg0(Ge)=0.785evEg(Ge)=0.72e电子能量禁带Eg导带价带返回１T=0k且无外界其它能量激发时，Eg0较大，价电子全部束缚在共价键中，导带中无自由电子。（此时的本征半导体相当与绝缘体）2本征激发：T↑（or光照）价电子获得能量跃迁导带自由电子~位于导带空穴~位于价带Eg444444444（二）本征激发和两种载流子电子能量禁带Eg导带价带注意：①在本征激发（或热激发）中，电子、空穴成对产生a:空穴带正电量b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，与电子电量相等，符号相反c：空穴在价带内运动，也是一种载流子。在外电场作用下可在晶体内定向移动空穴：载流子：物体内运载电荷的粒子，决定于物体的导电能力。自由电子载流子：带单位负电空穴载流子：带单位正电在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，对电流的贡献是迭加的。②在常温下本征半导体内有两种载流子：返回（三）本征载流子（intrinsiccarrier）浓度本征激发电子空穴Eg1电子空穴随机碰撞复合（自由电子释放能量）电子空穴对消失23本征激发动态平衡复合是电子空穴对的两种矛盾运动形式。在本征半导体中电子和空穴的浓度总是相等的若设ni为电子浓度，pi为空穴浓度本征载流子浓度：ni=pi=AoT3/2exp(-Eg0/2kT)其中：Ao为常数，与半导体材料有关：Si:Ao=3.88×1016(cm-3.k-2/3)Ge:Ao=1.76×1016(cm-3.k-2/3)k为玻耳兹曼常数k=1.38×10-23(J.k-1)当T=300k（室温）Si:ni=pi≈1.5×1010/cm3Ge:ni=pi≈2.4×1013/cm由上式：T↑→ni(orpi)↑→导电能力↑可制作热敏元件影响半导体器件的稳定性另外光照→ni(orpi)↑→导电能力↑→可制作光电器件返回1.1.2杂质半导体（donorandacceptorimpurities）实际上，制造半导体器件的材料并不是本征半导体，而是人为地掺入一定杂质成份的半导体1什么是杂质半导体：人为地掺入一定杂质成份的半导体2为什么要掺杂：提高半导体的导电能力例如：Si本征半导体（T＝300k）：ni=pi=1.5X1010／cm3原子密度4.96X1022/cm33.3X1012分之一故：本征半导体的导电能力很弱。3在本征半导体中掺入不同种类的杂质可以改变半导体中两种载流子的浓度。根据掺入杂质的种类可分为：N型半导体（掺入5价元素杂质）P型半导体（掺入3价元素杂质）返回（一）N型半导体（NTypesemiconductor）444544444在本征半导体中掺入5价元素的杂质（砷、磷、锑）就成为N型杂质半导体。杂质原子→能提供多余电子→称为施主杂质→多余电子→位于施主能级（进入导带）成为自由电子室温T=300k电子能量禁带Eg导带价带施主能级+++N型杂质半导体的特点：1、与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由移动，不起导电作用。2、在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故N型半导体中自由电子数目很高（浓度大）,主要靠电子导电。称为电子半导体。3、在N型半导体中同样也有本征激发产生的电子空穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。+在N型半导体中：自由电子→多数载流子（多子）。且多数载流子浓度＞＞ni空穴→少数载流子（少子）。少数载流子浓度＜＜pi+5返回（二）P型半导体（Ptypesemiconductor）电子能量禁带Eg导带价带受主能级---在本征半导体中掺入3价元素（如B硼），就成为P型半导体。3价杂质原子→接受电子→负离子→受主杂质（acceptorimpurity）→（受主原子）→位于受主能级产生空位（位于价带）室温T=300k带负电离子与带正电空穴间有吸引力，即空穴是受束缚的，只能在负离子附近活动。但只要赋予它一定的能量，它挣脱束缚运动到远离负离子的地方，该空穴就和本征激发产生的空穴一样可以自由运动。对半导体的导电有贡献。杂质产生（空位）→受主能级在价带中形成空穴→晶格中留下负离子接受电子P型半导体的特点：1、与本征激发不同。受主原子接受电子在价带中产生一个空穴，但并不在导带中产生电子，而在晶格中留下一个负离子。负离子不能自由移动，不起导电作用。2在室温下3价受主原子产生的空位全部可被激发为价带中的空穴，故P型半导体中空穴数很高，主要靠空穴导电。称为空穴半导体。444344444-3P型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对，但由于复合作用，电子数目很小，空穴的浓度远大于电子浓度。P型半导体：多子→空穴且：多子浓度＞＞pi少子→电子少子浓度＜＜ni返回（三）杂质半导体中的载流子浓度本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi掺杂半导体中（NorP）→掺杂越多→多子浓度↑→少子浓度↓杂质半导体载流子由两个过程产生：杂质电离→多子本征激发→少子由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：1热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。N型半导体：若以nn表示电子（多子），pn表示空穴（少子）则有nn.pn=ni2P型半导体：pp表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子）Pp.np=ni22电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。N型：No表示施主杂质浓度，则：nn=No+pnP型：NA表示受主杂质浓度，Pp=NA+np由于一般总有NopnNAnp所以有N型：nn≈No且：pn≈ni2/NDP型：pp≈NAnp≈ni2/NA多子浓度等于掺杂浓度少子浓度与本征浓度ni2有关，与温度无关随温度升高而增加，是半导体元件温度漂移的主要原因多子浓度少子浓度返回1.1.3漂移电流与扩散电流半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导电电流。引起载流子定向运动的原因有两种：由于电场而引起的定向运动――漂移运动。（漂移电流）由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动――扩散运动（扩散电流）（一）漂移电流（driftcurrent）在电子浓度为n,空穴浓度为p的半导体两端外加电压V，在电场E的作用下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：EV●●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●空穴的平均漂移速度：vp=up.E电子的平均漂移速度：vn=-un.E其中up和un为空穴和电子的迁移率（单位电场强度下载流子的平均漂移速度）所以空穴的电流密度：Jpt=q.p.vp=up.q.p.E电子的电流密度：Jnt=-q.n.vn=un.q.n.E其中q为电子电荷量总的漂移电流密度：Jt=Jpt+Jnt=(up.p+un.n)qE返回(二）扩散电流（diffusioncurrent）载流子注入光照的作用非平衡载流子→载流子浓度梯度→扩散运动→扩散电流扩散电流是半导体中载流子的一种特殊运动形式，是由于载流子的浓度差而引起的，扩散运动总是从浓度高的区域向浓度小的区域进行，光照N型半导体x●●●●●●●○○○○○●●●n(x)p(x)载流子浓度热平衡值热平衡值x●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●若用dx)x(dp,dx)x(dn表示非平衡空穴和电子的浓度梯度，则沿X方向的扩散电流密度分别为：Jpo=-qDpdx)x(dpJno=-(-q)Dndx)x(dn=qDndx)x(dn式中DP和Dn为空穴和电子扩散系数（单位cm2/s）上式表示：空穴扩散中电流与x方向相同电子扩散电流与x方向相反（因为dx)x(dp＜0，dx)x(dn＜0）返回§1.2PN结原理1.2.2空间电荷区特点：1.2.1PN结的形成及特点返回NP++++++++++++++++----------------§1.2PN结原理在一块N型半导体（orPtype），用杂质补偿的方法掺入一定数量的3价元素（or5价元素）将这一部分区域转换成P型（或N型），则在它们的界面处便生成PN结。PN结是晶体二极管及其它半导体的基本结构，在集成电路中极其重要。ENP++++++++++++++++----------------返回1.2.1PN结的形成及特点一PN结的动态平衡过程和接触电位（一）空间电荷区(spacechargeregion)在N型和P型半导体的界面两侧，明显地存在着电子和空穴的浓度差，导致载流子的扩散运动：P型半导体中空穴→N区扩散→与N区中电子复合P区留下负离子→N区生成正离子N型半导体中电子（多子）→P区扩散→与P区空穴复合N区留下正离子→P区生成负离子。N区――则为正P区――则为负形成内建电场E伴随着扩散和复合运动在PN结界面附近形成一个空间电荷区：内建电场→形成少子的漂移运动N区中空穴→P区P区中电子→N区消弱内建电场ENP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------显然半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾运动的两个方面：多子扩散运动→空间电荷区↑→内建电场E↑→少子漂移↑结果：多子扩散运动少子的漂移扩散电流漂移电流热平衡（动态平衡）PN结中总电流为零。空间电荷区宽度稳定形成PN结。返回1.2.2空间电荷区特点：1.空间电荷区宽度决定于杂质浓度一般杂质浓度越高空间电荷区越薄，空间电荷区伸向杂质浓度低的一侧。2.扩散在空间电荷区内形成一定的空间电荷分布ρ(x)，P区为负，N区为正，界面处为零。故在电荷区内形成一定的电场分布：E=)