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第一章:常用半导体器件第一节 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,无杂质,稳定的结构,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,什么是半导体?什么是本征半导体?,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,1、本征半导体的结构(价电子,除价电子外的正离子),由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。,共价键,一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;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浓度加大。,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,载流子浓度增大,导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,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。,T为热力学温度,K1为常量,与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关,EGO为热力学零度时破坏共价键所需的能量,即禁带宽度。,常温下导电性能差,二、杂质半导体 1. N型半导体,磷(P),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。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?,2. P型半导体,硼(B),多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强,,掺入的杂质使多子的数目大大增加,增大与少子复合的机会,因此多子浓度越高,少子就越低。少子本征激发形成的,多子浓度等于杂质浓度。,三、PN结的形成及其单向导电性,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。,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,产生内电场,不利于扩散运动的继续进行。,PN结的形成,因内电场作用所产生的运动称为漂移运动。,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。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动(少子运动)。,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。,PN结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似认为其截止。,PN结的单向导电性,根据理论分析:,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT =kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q 为电子电荷量1.6109 T 为热力学温度 对于室温(相当T=300 K) 则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|u|U T |时,四、PN结的电流方程,五、 PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导,PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF(多子扩散),IR(少子漂移),反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆(不超过耗散功率),齐纳击穿 雪崩击穿,六、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。 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时,在扩散过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。 结电容: 结电容不是常量!低频时不考虑,当PN结外加电压频率高到一定程度,才考虑结电容的作用!,END,
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