第一章 常用半导体器件第一章 常用半导体器件1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 1.4 场效应管场效应管1 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应 根据材料导电能力根据材料导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分导体、绝的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有单质半导体单质半导体 硅硅(Si)和锗和锗(Ge)以及以及-族族化合物半导体化合物半导体 砷化镓砷化镓(GaAs)等等。导导 体：体：电阻率电阻率 109 cm，如，如惰性气体、橡胶等，其惰性气体、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，只有在外电场强到到相当相当程度时才可能导电。程度时才可能导电。半导体：半导体：电阻率电阻率 介于前两者之间。介于前两者之间。半导体材料半导体材料SiGeSi：+142Ge：+48 4+322 8418价电子价电子最外层电子（价电子）都是四个最外层电子（价电子）都是四个惯性核表示：惯性核表示：惯性核：除惯性核：除价电子外的价电子外的内层稳定结构内层稳定结构 当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的光光敏二极管敏二极管可以用于可以用于光敏控制光敏控制。二二.半导体三大基本特性半导体三大基本特性1.半导体的半导体的热敏性热敏性(temperature sensitive)环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强，制成环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强，制成的的热敏电阻热敏电阻可以用于可以用于温度控制温度控制。T电导率电导率 s s 2.半导体的半导体的光敏性光敏性(light sensitive)IVmA半导体半导体T 1.5光照度光照度 光照光照3.半导体的半导体的掺杂性掺杂性 (Doping impuritive)在半在半导体中体中掺入一定入一定浓度的度的杂质后，可改后，可改变半半导体的体的导电类型，型，导电能力也会大幅度增加，利用能力也会大幅度增加，利用这种特性可种特性可以制造出不同用途的半以制造出不同用途的半导体晶体管与集成体晶体管与集成电路。路。半导体半导体半导体半导体I IV VmAmA高温掺杂高温掺杂晶体管晶体管纯净纯净的且具有的且具有完整晶体结构完整晶体结构的半导体称为本征半导体。的半导体称为本征半导体。纯度：大于纯度：大于99.9999%，“六个六个9”通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。1.1.1 本征半导体本征半导体硅和锗的晶体结构取决于硅和锗的晶体结构取决于原子结构原子结构。硅和锗的原子结构。硅和锗的原子结构为为金刚石结构金刚石结构：每个原子都处：每个原子都处在正四面体的中心，而四个其在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点。它原子位于四面体的顶点。硅和锗的晶体结构：硅和锗的晶体结构：1.本征半导体的原子结构和共价键本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子共价键内的电子称为束缚电子称为束缚电子l形成共价键后，每个原子的形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳最外层电子是八个，构成稳定结构。定结构。l共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。l在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没）和没有外界激发时有外界激发时,价电子完全价电子完全被共价键束缚着，本征半导被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒体中没有可以运动的带电粒子（即子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。2.本征激发本征激发+4+4+4+4+4+4+4+4+4挣脱挣脱共价键的共价键的束缚束缚成为自由电子成为自由电子留下的空位称为空穴留下的空位称为空穴l本征半导体中存在数量本征半导体中存在数量相等的两种相等的两种载流子载流子l随着温度升高，由于随着温度升高，由于热激发，使一些价电子获热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空同时共价键上留下一个空位，这一现象称为位，这一现象称为本征激本征激发发。自由电子自由电子空穴空穴外电场作用下空穴导电过程：外电场作用下空穴导电过程：两种载流子（动画）两种载流子（动画）1.本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴它们是成对出现的它们是成对出现的2.在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流电子流和空穴流电子流和空穴流电子流：电子流：自由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反与外电场方向相反空穴流：空穴流：价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的与外电场方向相同与外电场方向相同由此可以看出：由此可以看出：3.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高，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。部因素，这是半导体的一大特点。l 载流子的复合载流子的复合:自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。载流子复合。l 动态平衡动态平衡:复合是产生的相反过程，当产生等于复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。复合时，称载流子处于平衡状态。l 本征浓度本征浓度(ni):):平衡状态下，本征半导体单位体积内的平衡状态下，本征半导体单位体积内的自由电子数（空穴数）。它是温度的敏自由电子数（空穴数）。它是温度的敏感函数。感函数。3.本征浓度本征浓度ni：自由电子的浓度自由电子的浓度pi：空穴的浓度空穴的浓度B：系数系数T：绝对温度绝对温度式式中：中：k：波尔兹曼常数波尔兹曼常数EG：价电子挣脱共价键所需能量价电子挣脱共价键所需能量,又叫禁带宽度又叫禁带宽度平衡状态下本征半导体单位体积内平衡状态下本征半导体单位体积内自由电子数自由电子数（或空穴数）或空穴数）3.本征浓度本征浓度（1）相同温度下，相同温度下，Ge的的niSi的的ni（2）常温下常温下本征浓度远小于原子密度。本征浓度远小于原子密度。因此本征半导体的导电能力很弱。因此本征半导体的导电能力很弱。在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。(impurity semiconductor)N型半导体型半导体(N-type semiconductor)掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体型半导体(P-type semiconductor)掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。一般采用高温扩散工艺进行掺杂一般采用高温扩散工艺进行掺杂1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.N 型半导体型半导体(Negative 负）负）+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入少量的五价少量的五价元素（如磷）元素（如磷）施主电离：施主电离：产生产生自由电子和正离子对自由电子和正离子对N型半导体型半导体 磷原子的最外层有五个价电子，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不几乎不受束缚，很容易被激发而成为受束缚，很容易被激发而成为自由电子自由电子（常温下几乎完全电离）（常温下几乎完全电离），这样磷原子就成了不能移动的带正电这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。这一现象称为的离子。这一现象称为“施主电离施主电离”。磷原子称为施主原子。磷原子称为施主原子。本征激发：本征激发：产生产生自由电子和空穴对自由电子和空穴对载流子载流子自由电子自由电子空穴空穴施主电离施主电离本征激发本征激发自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子和正离子自由电子和正离子多数载流子多数载流子（多子）（多子）少数载流子少数载流子（少子）（少子）电荷模型：电荷模型：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+51.N 型半导体型半导体(Negative 负）负）空穴比未加杂质时的数目空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？多了？少了？为什么？+2.P 型半导体（型半导体（Positive 正）正）+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入少量的三价少量的三价元素（如元素（如硼硼）P 型半导体。型半导体。硼原子的最外层有三个价电子，与相硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。价电子因热运动很容易来一个空位。价电子因热运动很容易来填补这个空位，使空位转移到半导体填补这个空位，使空位转移到半导体原子上，产生空穴。同时使得硼原子原子上，产生空穴。同时使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。这一成为不能移动的带负电的离子。这一现象称为受主电离。现象称为受主电离。硼原子称为受主硼原子称为受主原子。原子。受主电离：受主电离：产生空穴产生空穴和负离子对和负离子对本征激发：本征激发：产生产生自由电子和空穴对自由电子和空穴对受主电离受主电离本征激发本征激发自由电子和空穴自由电子和空穴空穴和负离子空穴和负离子载流子载流子自由电子自由电子空穴空穴多数载流子多数载流子（多子）（多子）少数载流子少数载流子（少子）（少子）电荷模型：电荷模型：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+32.P 型半导体（型半导体（Positive 正）正）杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现度越高，导电性越强，实现导电导电性可控性可控。漂移电流 在在电场电场作用下，半作用下，半导导体中的体中的载载流子受流子受电场电场力作宏力作宏观观定向漂移运定向漂移运动动形成的形成的电电流，称流，称为为漂移漂移电电流。流。漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。扩散电流在半导体中，因某种在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布原因使载流子的浓度分布不均匀，载流子会从浓度不均匀，载流子会从浓度高的地方向浓度低的地方高的地方向浓度低的地方作作扩散运动扩散运动，这种因载流，这种因载流子子浓度差浓度差而产生的载流子而产生的载流子宏观定向运动形成的电流宏观定向运动形成的电流称为扩散电流。称为扩散电流。3.半导体中的电流扩散电流半导体中某处的扩散电流半导体中某处的扩散电流主要取决于该处主要取决于该处载流子的浓度载流子的浓度差差（即（即浓度梯度浓度梯度），而与该处），而与该处的浓度值无关。即扩散电流与的浓度值无关。即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯载流子在扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散度成正比，浓度差越大，扩散电流也越大。电流也越大。浓度梯度：浓度梯度：或或 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 小结小结 自由电子、空穴、自由电子、空穴、N型半导体、型半导体、P型半导体；型半导体；多数载流子、少数载流子、漂移电流与扩散电流。多数载流子、少数载流子、漂移