湖南大学期末考试题微电子复习.ppt

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2.1半导体的基础知识半导体的基础知识2.3双极型晶体管双极型晶体管2.4场效应管场效应管2.5单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管2.2半导体二极管半导体二极管本征半导体的晶体结构晶格：

由原子构成空间排列有序的空间点阵。

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。

这种结构的立体示意图见图。

它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。

共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子电子空穴对电子空穴对当半导体处于热力学温度0K时，半导体中没有自由电子。

常温下，极少数价电子成为自由电子。

当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。

本征激发：

在热激发下产生电子空穴对。

这一现象称为本征激发，也称热激发。

本征半导体中的自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴空穴的移动：

自由电子的定向运动（外电场）形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。

空穴在晶格中的移动空穴的运动=相邻共价键中的价电子反向（外电场）依次填补空穴来实现的。

本征半导体中，自由电子数目空穴数目。

本征半导体中：

电流电子电流空穴电流。

载流子：

自由电子（）与空穴（）。

本征半导体中：

电流电子电流空穴电流。

载流子：

自由电子（）与空穴（）。

本征半导体中：

电流电子电流空穴电流。

载流子：

自由电子（）与空穴（）。

可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为本征激发。

游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，成对消失，称为复合。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

本征半导体中载流子浓度一定。

自由电子浓度空穴浓度。

本征激发和复合的过程：

本征半导体中载流子的浓度：

温度升高，自由电子、空穴增多，导电能力强。

温度降低，自由电子、空穴减少，导电能力弱。

杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体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价元素。

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。

掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。

N型半导体型半导体掺入掺入五五价杂质元素（如磷）的半导体。

价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体型半导体掺入掺入三三价杂质元素（如硼）的半导体。

价杂质元素（如硼）的半导体。

本征半导体缺点：

1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！

N型半导体型半导体五价五价杂质原子中多余杂质原子中多余的一个价电子因无共价键的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电束缚而很容易形成自由电子。

子。

五价杂质原子因带正电五价杂质原子因带正电荷而成为荷而成为正离子正离子，不能移，不能移动，称为动，称为施主原子施主原子。

在在N型半导体中型半导体中自由自由电子电子是多数载流子是多数载流子（多子）（多子），它主要由，它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴空穴是少数载流子是少数载流子（少子）（少子）,由热激发形成。

由热激发形成。

N：

自由电子浓度：

自由电子浓度空穴浓度，自由电子导电为主。

空穴浓度，自由电子导电为主。

P型半导体型半导体在在P型半导体中型半导体中空穴是多子，空穴是多子，它主要由掺杂形成它主要由掺杂形成；自由自由电电子是少子，子是少子，由热激发形成。

由热激发形成。

P：

空穴浓度：

空穴浓度自由电子浓度自由电子浓度，空穴导电为主。

，空穴导电为主。

三价三价杂质原子在与硅杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中一个价电子而在共价键中留下一个留下一个空穴空穴。

空穴很容。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子易俘获电子，使杂质原子成为成为负离子负离子。

三价杂质。

三价杂质因因而也称为而也称为受主原子受主原子。

掺入杂掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下一些典型的数据如下:

T=300K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.41010/cm31本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:

4.961022/cm33以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

2掺杂后掺杂后N型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:

n=51016/cm3杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响2.2PN结的形成及特性结的形成及特性一、PN结的形成二、PN结的单向导电性四、PN结的伏安特性五、PN结的电容效应三、PN结的电流方程扩散运动复合多子浓度下降正、负离子区空间电荷区（电位差）内电场（方向及大小）漂移运动动态平衡扩散多子漂移少子扩散电流漂移电流对称结不对称结一、PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别分别形成形成N型半导体和型半导体和P型半导体。

此时将在型半导体。

此时将在N型半导体和型半导体和P型型半导体的结合面上形成如下物理过程半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。

对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。

在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。

多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中PP区的电位高于区的电位高于NN区的电位，称为加区的电位，称为加正正向电压向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。

PN结加正向电压时：

结加正向电压时：

低电阻低电阻大的正向扩散电流大的正向扩散电流PN结的伏安特性结的伏安特性1.PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场（空间电荷区）。

于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结导通，呈现低阻性。

限流电阻结压降2.PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场（空间电荷区）。

内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。

此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。

PN结的伏安特性结的伏安特性PN结加反向电压时：

结加反向电压时：

高电阻高电阻很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征激发决定的在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。

PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：

由此可以得出结论：

PN结具有单结具有单向导电性。

向导电性。

三、三、PN结的电流方程结的电流方程PN结结V-I特性表达式特性表达式其中其中IS反向饱和电流反向饱和电流UT温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）四、四、PN结的伏安特性结的伏安特性PN结结外加外加正向电压：

指数规律正向电压：

指数规律反向电压：

直线反向电压：

直线当的反向电压增加到一定数当的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，值时，反向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PNPN结的结的反向击穿。

反向击穿。

热击穿（大电流）热击穿（大电流）不可逆不可逆雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿电击穿电击穿可逆可逆PN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线雪崩击穿：

雪崩击穿：

低掺杂低掺杂，耗尽层宽，耗尽层宽，高高反向（反向（击穿击穿）电压电压，碰撞价电子（碰撞价电子（撞撞出），产生电子空穴对，多出），产生电子空穴对，多次重复，反向电流增大。

次重复，反向电流增大。

齐纳击穿：

齐纳击穿：

高参杂高参杂，耗尽层窄，耗尽层窄，低低反向（反向（击穿击穿）电压电压，激发价电子（激发价电子（拉拉出），产生电子空穴对，反出），产生电子空穴对，反向电流增大。

向电流增大。

半导体三极管图片2.4.1BJT的结构简介的结构简介半导体三极管的结构有两种类型半导体三极管的结构有两种类型:

NPN型和型和PNP型。

型。

两种类型的三极管发射结发射结（Je）集电结集电结（Jc）基极基极，用B或b表示（Base）发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区发射区集电区集电区基区基区三极管符号三极管符号结构特点：

发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。

管芯结构剖面图BJT的电流分配与放大原理1.内部载流子的传输过程三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。

外部条件：

发射结正偏，集电结反偏。

发射区：

发射载流子集电区：

收集载流子基区：

传送和控制载流子（以NPN为例）载流子的传输过程载流子的传输过程以上看出，三极管内有两种载流子（自由电子和空穴）参与导电，故称为双极型三极管。

或BJT（BipolarJunctionTransistor）。

2.电流分配关系根据传输过程可知根据传输过程可知IC=InC+ICBOIB=IB-ICBO通常通常ICICBO为电流放大系数，为电流放大系数，它它只与管子的结构尺寸和掺只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压杂浓度有关，与外加电压无关无关。

一般。

一般=0.90.99IE=IB+IC载流子的传输过程载流子的传输过程根据根据是另一个电流放大系数，是另一个电流放大系数，同样，它也只与管同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。

子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。

一般一般1IE=IB+ICIC=InC+ICBO且令且令ICEO=（1+）ICBO（穿透电流）（穿透电流）2.电流分配关系由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。

键。

若两个若两个PNPN结对接，相当于基区很厚，所以结对接，相当于基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PNPN结结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。

例。

综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。

现的。

实现这一传输过程的两个条件是：

实现这一传输过程的两个条件是：

（1）内部条件：

内部条件：

发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。

杂质浓度，且基区很