康华光模电第03章课件.ppt

1、3.1半导体的基本知识半导体的基本知识3.3二极管二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法3.5特殊二极管特殊二极管3.2PN结的形成及特性结的形成及特性3.1半导体的基本知识半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用 3.1.4 杂质半导体杂质半导体3.1.1半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi

2、和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。导体导体外层电子数：少于外层电子数：少于4个（易激发成为自由电子）个（易激发成为自由电子）绝缘体绝缘体外层电子数：外层电子数：8个，处于稳定状态个，处于稳定状态半导体半导体外层电子数：外层电子数：4个个半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。特点：在受光、热刺激或掺杂时导电能力显著改变。特点：在受光、热刺激或掺杂时导电能力显著改变。3.1.2半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅硅和和锗锗是是四四价价元元素素，在在原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的四四个个电电子子称称为为价价电电子子。它它们们分分

3、别别与与周周围围的的四四个个原原子子的的价价电电子子形形成成共共价价键键。共共价价键键中中的的价价电电子子为为这这些些原原子子所所共共有有，并并为为它它们们所所束束缚缚，在在空空间间形形成成排排列列有有序序的的晶晶体体。这这种种结结构构的的立体和平面示意图如下。立体和平面示意图如下。3.1.2半导体的共价键结构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外层电子形成外层电子形成8个价电子的稳定状态，导电性能很差。个价电子的稳定状态，导电性能很差。3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净

4、净的的半半导导体体。制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%99.9999999%，常常称称为为“九个九个9 9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。当半导体处于热力学温度当半导体处于热力学温度0K时，半导体中没有自时，半导体中没有自由电子。完全不导电。当温度升高或受到光的照射时，由电子。完全不导电。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，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。而参与导电，成为自由电子。这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发（

5、也称（也称热激发热激发）。3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对1 1、电子、电子-空穴对空穴对 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出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，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的这个空位为空穴空穴。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同

6、时成对出现的，称为时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为电子也可能回到空穴中去，称为复合复合。本征激发和。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。复合在一定温度下会达到动态平衡。由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而成对出现的自由电子和空穴由热激发而成对出现的自由电子和空穴。2 2、导电的实质、导电的实质空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次 填充空穴来实

7、现的。填充空穴来实现的。在外电场或其他能源作用下，自由电子填补空穴的运动，在外电场或其他能源作用下，自由电子填补空穴的运动，产生电流。产生电流。所以，半导体材料所以，半导体材料导电的重要导电的重要条件是必需出现电子条件是必需出现电子空穴对。空穴对。3 3、导电的特点、导电的特点两种载流子参与导电，自由电子数（两种载流子参与导电，自由电子数（n）=空穴数（空穴数（p）外电场作用下产生电流，电流大小与载流子数目有关外电场作用下产生电流，电流大小与载流子数目有关导电能力随温度增加显著增加导电能力随温度增加显著增加本征激发动画本征激发动画电子空穴运动动画电子空穴运动动画3.1.4杂质半导体杂质半导体

8、在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，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。掺入杂质的本征半导体主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。半导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。半导体。1.N 1.N型半导体型半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中

9、的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由它主要由杂质原子提供；杂质原子提供；空穴是少数载流子，空穴是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。自由电子数自由电子数空穴数。空穴数。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。2.P 2.P型半导体型半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成

10、共在与硅原子形成共价键时，缺少一个价键时，缺少一个价电子而在共价键价电子而在共价键中留下一个空穴。中留下一个空穴。在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成；形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。自由自由电子数电子数空穴数。空穴数。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。3.杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些

11、典型的数据如下响，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/cm312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不不论论N型型、P型型半半导导体体本本身身不不带带电电（电电子子和和原原子子核核之之间间始始终终是是平平衡衡的的），单单独独的的P或或N没没有有任任何何作作用用。掺掺入入微微量量杂杂质质是是提提高高半半导导体体导导电电能能力力的的最最有有效效方方法法，一一百百万万分分之之一一的的杂杂质质使使载载流流子浓度增加一百万倍。子浓度增加一百万倍。N型半导体中是否存在空穴？型半

12、导体中是否存在空穴？P型半导体中是否存在型半导体中是否存在电子？电子？N型半导体是否带负电？型半导体是否带负电？P型半导体是否带正电？型半导体是否带正电？N型半导体与型半导体与P型半导体能否相互转化？型半导体能否相互转化？4.问题问题转化的条件：取决于杂质的浓度。转化的条件：取决于杂质的浓度。本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子（多子）、少数载流子（少子）多数载流子（多子）、少数载流子（少子）施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质3.2PN结的形成及特性结的形成及特

13、性 3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散3.2.1载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动：漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。扩散运动：扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散扩散运动运动。在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P

14、型半导体。型半导体。3.2.2PN结的形成结的形成3.2.2PN结的形成结的形成 电电子子和和空空穴穴从从浓浓度度高高的的地地方方向向浓浓度度低低的的地地方方扩扩散散，并并在在中中间间复复合合消消失失，在在P P区区留留下下不不能能移移动动的的带带负负电电离离子子，在在N N区区留留下下不不能能移移动动的的带带正正电电离离子子，形形成成空空间间电电荷荷区区，产产生生内内电电场场。而而内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散，帮帮助助少少子子漂漂移移，达达到到动动态态平平衡衡时时，PNPN结结的的宽宽度度不不再再继继续续增增加加，此此时时将将在在N N型型半半导导体体和和P P型型半半导导体体的的结

15、结合合面面上上形形成成如下物理过程如下物理过程: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。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 3.2.2PN结的形成结的形成 对于对于P P型半导体和型半导体和N 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PNPN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

16、。在空间电荷区，电子要从在空间电荷区，电子要从N区到区到P区必须区必须通过一个能量高坡（势垒），因此空间电荷通过一个能量高坡（势垒），因此空间电荷区又称为区又称为势垒区势垒区。PN结形成动画结形成动画3.2.3PN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P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，区的电位，称为加称为加正向电压正向电压，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。(1)PN(1)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结正偏动画结正偏动画 (2)PN(2)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，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关，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Is。PN结反偏动画结反偏动画 PNPN结加