第1章半导体器件_模拟电子线路基础

第1章半导体器件21.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3载流子的运动方式及形成的电流31.半导体及其材料·导体:电阻率ρ小于10-3Ω·cm·绝缘体:ρ大于108Ω·cm·半导体:ρ介于导体和绝缘体之间。常用半导体材料有:硅（Si）、锗（Ge）等1.1.1本征半导体4掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而导电能力显著增强。据此可制作各种半导体器件，如二极管和三极管等。2.半导体特性1.1.1本征半导体5光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。据此可制作各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。2.半导体的特性热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。据此可制作温度敏感元件，如热敏电阻。1.1.1本征半导体6半导体的原子结构:本征半导体——化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单晶体形态。硅(Si)锗(Ge)3.本征半导体概念1.1.1本征半导体7半导体的共价键结构4共价键共价键中的两个价电子原子核3.本征半导体概念1.1.1本征半导体84本征激发（热激发）4.本征半导体的导电机理1.1.1本征半导体本征激发产生的空穴价电子价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。该现象称为本征激发(热激发)本征激发产生的自由电子94本征激发（热激发）4.本征半导体的导电机理1.1.1本征半导体空穴价电子自由电子在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒子(载流子)：成对的电子和空穴复合——自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子空穴成对消失。104.本征半导体的导电机理1.1.1本征半导体自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差。(2)温度越高，载流子的数目越多,半导体的导电性能也就越好。可见，温度对半导体器件性能影响很大。111.1.1本征半导体小结（1）半导体及其材料（2）半导体特性（3）本征半导体概念（4）本征半导体的导电机理12杂质半导体—在本征半导体中掺入微量其它元素而得到的半导体。杂质半导体可分为：N型(电子)半导体和P型(空穴)半导体两类。1.1.2杂质半导体131.1.2杂质半导体1.N型半导体在本征半导体中掺入微量五价元素物质（磷、砷等）而得到的杂质半导体。结构图141.1.2杂质半导体掺杂后，某些位置上的硅原子被5价杂质原子（如磷原子）取代。磷原子的5个价电子中，4个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离。5价杂质原子又称施主杂质。1.N型半导体15这种电子为多数载流子的杂质半导体称为N型半导体。1.1.2杂质半导体可见：在N型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子）；空穴是少数载流子（简称少子）。N型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。1.N型半导体16在本征半导体中掺入微量三价元素物质（硼、铝等）而得到的杂质半导体。结构图1.1.2杂质半导体2.P型半导体171.1.2杂质半导体掺杂后，某些位置上的硅原子被3价杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有3个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴，导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。3价杂质原子又称受主杂质。2.P型半导体18这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。1.1.2杂质半导体可见：在P型半导体中空穴是多数载流子(简称多子),自由电子是少数载流子（简称少子）。P型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。2.P型半导体19扩散运动—载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流—载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比1.1.3载流子运动方式及形成电流1.扩散运动及扩散电流20漂移运动—载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流—载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。漂移电流大小与电场强度成正比1.1.3载流子运动方式及形成电流2.漂移运动及漂移电流211.2PN结与晶体二极管1.2.1PN结的基本原理1.2.2晶体二极管1.2.3晶体二极管应用电路举例221.PN结的形成1.2.1PN结基本原理在一块本征半导体的两边掺以不同的杂质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。另一方面，随着扩散运动的进行，P区一边失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。电场方向由N区指向P区，有利于P区和N区的少子漂移运动，而阻止多子扩散运动。231.PN结的形成1.2.1PN结基本原理扩散交界处的浓度差P区的一些空穴向N区扩散N区的一些电子向P区扩散P区留下带负电的受主离子N区留下带正电的施主离子内建电场漂移电流扩散电流PN结动态平衡24UΦ：势垒电压UΦ=0.6~0.8V或0.2~0.3VPN结平衡空间电荷区/耗尽层UΦ内建电场1.PN结的形成1.2.1PN结基本原理25小结载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移运动=扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。1.2.1PN结基本原理262.PN结的特性1.2.1PN结基本原理（1）单向导电性（2）击穿特性（3）电容特性27(1)单向导电性1.2.1PN结基本原理2.PN结的特性28加偏压时的耗尽层UΦUΦ–U合成电场(1)单向导电性PN结加正向电压1.2.1PN结基本原理2.PN结的特性PN外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过这个势垒的多数载流子数量大大增加，形成较大的扩散电流。未加偏压时的耗尽层29流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称：加正向偏压时的耗尽层UΦUΦ–U合成电场PN结正向导通状态1.2.1PN结基本原理未加偏压时的耗尽层PN结加正向电压30加反向偏压时的耗尽层UΦUΦ+U合成电场(1)单向导电性PN结加反向电压2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理PN外加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零，而少子更容易产生漂移运动。未加偏压时的耗尽层31加反向偏压时的耗尽层UΦUΦ+U合成电场流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称：PN结反向截止状态1.2.1PN结基本原理未加偏压时的耗尽层PN结加反向电压32小结PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到IS0，则认为PN结截止。PN结正向导通、反向截止的特性称PN结的单向导电特性。1.2.1PN结基本原理33击穿——PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而结两端电压基本不变的现象。(2)击穿特性2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理击穿不一定导致损坏。利用PN结击穿特性可以制作稳压管。击穿电压Uz34雪崩击穿击穿分类(2)击穿特性2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理齐纳击穿35雪崩击穿(碰撞击穿)反向电压足够高时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其它的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿。(2)击穿特性2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理36齐纳击穿(电场击穿)当反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到105V／cm以上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子-空穴对，使载流子突然增多，产生击穿现象，称为齐纳击穿。掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。(2)击穿特性2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理37PN结存在电容效应。这将限制器件工作频率。分类势垒电容TC扩散电容DC(3)电容特性2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理38势垒电容CT)/(0UUCCTT由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。(3)电容特性2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理39扩散电容CDCD值与PN结的正向电流I成正比。由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合贮存所产生。PN结加正向电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近；同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负电荷混合贮存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。(3)电容特性2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理p：空穴寿命n：电子寿命UT：热电压I:正向电流40小结PN结正向运用时CT、CD同时存在，CD起主要作用PN结反向运用时，只有CT。(3)电容特性2.PN结的特性1.2.1PN结基本原理41点接触型面结合型平面型符号1.结构与符号1.2.2晶体二极管42伏安特性图2.伏安特性1.2.2晶体二极管小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线。正向特性存在门限电压Ur锗管Ur0.2V硅管Ur0.6V43伏安特性图2.伏安特性1.2.2晶体二极管存在反向饱和电流IS反向特性曲线近似呈水平线，略有倾斜44伏安特性图2.伏安特性1.2.2晶体二极管重要参数：UZ击穿特性反向电流急剧增加而二极管端压近似不变。（PN结击穿）45伏安特性的温度特性：(c)击穿特性(b)反向特性(a)正向特性T则UrT则IST则UZ(雪崩击穿)T则UZ(齐纳击穿)2.伏安特性1.2.2晶体二极管46正向特性近似)1(/TUuseIi;时sIi1/TUue反向特性近似;时TUuseIi/1/TUue伏安特性数学表达式：2.伏安特性1.2.2晶体二极管26qkTUT式中：mVT=300K时47表征性能性能参数表征安全工作范围极限参数3.主要参数1.2.2晶体二极管参数48直流电阻RD：定义RD=U/I|Q点处RD是u或i的函数（1）性能参数3.主要参数1.2.2晶体二极管49交流电阻rd：定义rd=du/di|Q点处计算rd=UT/IQmVI26Q（1）性能参数3.主要参数1.2.2晶体二极管势垒电容CT：影响器件最高工作频率50最大允许整流电流IOM：工作电流IOM易导致二极管过热失效最高反向工作电压URM:允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压最大允许功耗PDM:实际功耗大于PDM时易导致二极管过热损坏（2）极限参数3.主要参数1.2.2晶体二极管51稳压管V-A特性及符号4.特殊二极管1.2.2晶体二极管52稳压管主要参数稳定电压UZ：即PN结击穿电压稳定电流IZ：IzminIZIZmax动态电阻rZ：定义rZ=u/irZ越小，则稳压性能越好额定功耗PZ：实际功耗超过PZ易使稳压管损坏4.特殊二极管1.2.2晶体二极管——稳压管53Ur为门限电压稳压管等效电路4.特殊二极管1.2.2晶体二极管——稳压管这时稳压管就是一只二极管54变容二极管(a)符号(b)特性