半导体原理

(1-1)§1.1半导体基础知识§1.2半导体二极管§1.3双极型三极管§1.5单结晶体管和晶闸管§1.4场效应管第一章常用半导体器件§1.6集成电路中的元器件(1-2)1.1.1导体、半导体和绝缘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。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另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。§1.1半导体基础知识(1-3)半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：热敏性、光敏性、掺杂性。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。(1-4)1.1.2本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi(1-5)通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。(1-6)硅和锗的晶体结构(1-7)本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。(1-8)在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体的导电机理(1-9)硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子(1-10)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4(1-11)本征半导体的导电机理在绝对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0，相当于绝缘体。在常温下，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。(1-12)+4+4+4+4本征半导体的导电机理自由电子空穴束缚电子(1-13)1.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。(1-14)N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，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。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。(1-15)+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子(1-16)N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。(1-17)P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。(1-18)+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子(1-19)总结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。(1-20)杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体(1-21)一.PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。1.1.3PN结(1-22)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动(1-23)扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。(1-24)漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。(1-25)空间电荷区N型区P型区电位VV0(1-26)1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意(1-27)二.PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。(1-28)PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。(1-29)PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。(1-30)(1-31)三.PN结的电流方程)1(kTqueIsI(1.1.2))1(TuueIsI(1.1.3)(1-32)四.PN结的伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)(1-33)五.PN结的电容效应二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。(1-34)(a)势垒电容CB势垒电容示意图(1-35)(b)扩散电容CD扩散电容示意图(1-36)为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。P+-N这样所产生的电容就是扩散电容CD。(1-37)CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd(1-38)1.2.1半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图(1-39)点接触结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型(1-40)(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a(1-41)PN结面接触型PN(1-42)半导体二极管图片§1.2半导体二极管(1-43)(1-44){end}(1-45)1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(/SDDTVveIi0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的V-I特性+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性(1-46)温度对伏安特性的影响UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR))1(kTqueIsI(1.1.2)(1-47)1.2.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)最高工作频率fM(1-48)补充参数:(电信专业)（5）最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。——注意与IF的关系(6)正向压降VF(7)极间电容CB、CD(1-49)1.2.4二极管的等效电路能够用简单、理想的模型来模拟电子器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路，也称为等效模型。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，也称为二极管的等效模型。(1-50)1.理想模型3.折线模型2.恒压降模型一、由伏安特性折线化得到的等效电路(1-51)——小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr即)1(/SDDTVveIi根据得Q点处的微变电导QddvdigrDDd1QVvTTeVI/SDTVIDdd1gr则DIVT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT二、二极管的微变等效电路(1-52)应用举例——补充1.二极管的静态工作情况分析V0DVmA1/DDDRVI理想模型（R=10k）VDD=10V情况分析mA93.0/)(DDDDRVVI恒压模型V7.0DV（硅二极管典型值）折线模型V5.0thV（硅二极管典型值）mA931.0DthDDDrRVVIk2.0Dr设V69.0DDthDrIVV+DiDVDD+DiDVDDVD+DiDVDDrDVth(1-53)例VREF=2.8VVi=6sin100tV2.限幅电路时V5.3)()1(REFthIVVv时V5.3)()2(REFthIVVvO+VREFI+RO+VthVREFI+RrD{end}O/VO/Vtt斜率斜率0.17rDrD+RVREF+Vth=3.5VI/V(c)(d)应用举例——补充V7.0DV(1-54)RRLuiuRuotttuiuRuo应用举例——补充3.脉冲识别电路请同学自己分析教科书例1.2.1(1-55)1.2.5稳压二极管1.稳压管的伏安特性(a)符号(b)伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。UZrd(1-56)(1)稳定电压VZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(3)额定功耗PZM——功率高于此值时，二极管会因结温升高而损坏。(2)稳定电流IZ：IZmax——电流高于此值时，二极管会损坏Izmin——电流低于此值时