模电chapter2-1技术总结.pptVIP

主要内容链接 2.1 半导体的基本知识 1. 半导体材料 2. 半导体的共价键结构 3. 半导体的导电机制 4. 杂质半导体 2.2 PN结的形成及特性 1. PN结的形成 2. PN结的单向导电性 3. PN结的反向击穿 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.1 半导体的基本知识 1. 半导体材料 1 半导体的概念 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。 2 常用半导体材料 元素半导体材料：硅 Si 、锗 Ge 等 化合物半导体材料：砷化镓 GaAs 等 用于掺杂或制成其它化合物半导体的材料： 硼 B 、磷 P 、铟 In 、锑 Sb 等 2. 半导体的共价键结构 硅和锗的原子序数分别为14和32，它们的最外层原子轨道上均有4个价电子，为四价元素。 原子实：原子核和内层轨道电子 2. 半导体的共价键结构 3. 半导体的导电机制 1 本征半导体 本征半导体是一种完全纯净的，结构完整的晶体。 2 半导体的导电机制 自由电子 空穴 本征激发 导电机制 空穴的补充说明 空穴的概念： 空穴不是真实的粒子，是为了描述电子运动的方便而引入的假想粒子 空穴顺着外加电场的方向移动，它实际反映了价电子逆着电场方向填补空穴的运动 每个空穴带一个单位正电荷 在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的 常常称之为“电子－空穴对” ，即本征半导体中自由电子和空穴两种载流子数是相等的。 半导体的导电机制说明 半导体中电子的导电分两种形式：一种是自由电子在晶体中的自由移动，称为自由电子导电；一种是价电子逆着电场方向填补空穴的运动，这种填补运动是空穴的产生引起的，且始终在原子的共价键之间进行，它可看成是空穴顺着电场方向的运动，称为空穴导电。 所以半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴，导电机制有自由电子导电和空穴导电两种。 4. 杂质半导体 如果在本征半导体中掺入微量的其它适当的元素，其导电能力会有明显改变，这称为半导体的“掺杂特性”，掺入的元素叫“杂质”，掺杂后的半导体称为“杂质半导体”。 1 P型半导体 空穴型半导体 在本征硅或锗中掺入少量Ⅲ族元素杂质，如硼、铟、铝等，则构成P型半导体 或空穴型半导体； 或在砷化镓中掺入少量Ⅱ族或Ⅳ族元素杂质，也构成P型半导体。 在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，因而空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，这种半导体以空穴导电为主。 2 N型半导体 电子型半导体 在本征硅或锗中掺入少量Ⅴ族元素杂质，如磷、砷、锑等，则构成N型半导体 或电子型半导体； 或在砷化镓中掺入少量Ⅳ 或Ⅵ族元素杂质，也构成N型半导体。 2 N型半导体 电子型半导体 在N型半导体中，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，这种半导体以自由电子导电为主。 补充说明 任何半导体中每时每刻都有电子和空穴的产生与消亡，在一定温度下会达到动态平衡，即在半导体中电子和空穴的浓度是一定的。 任何半导体中无论有多少电子和空穴，均是电中性的。 半导体中的电子和空穴在无电场、无浓度差时作杂乱无章的热运动；在有电场时，将作定向的漂移运动；当同一种载流子存在浓度差时，将作扩散运动。 2.2 PN结的形成及特性 1. PN结的形成 用掺杂工艺使一块半导体的一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体，则两种半导体交界处的一段区域内将形成PN结。 空穴 受主负离子 自由电子 施主正离子 载流子扩散示意图 载流子浓度差→多子扩散运动 空穴 ： P区向N区扩散 电子： N区向P区扩散 空间电荷区示意图 多子扩散 →空间电荷区 →内 建 电场 内电场→抑制多子扩散、促进少子漂移 少子漂移 →空间电荷区变薄 →内 建 电场减弱 → 多子扩散加强 载流子的浓度差使多子产生扩散运动，其结果使空间电荷区加宽、内电场增强，而内电场增强反过来阻止了多子的扩散、促进了少子的漂移，其结果又使空间电荷区变窄、内电场减弱，从而又促进了多子的扩散。如此相互制约，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的平衡PN结。 PN结形成过程描述 接触电位差 势垒 PN结 耗尽区 势垒区 阻挡层 2. PN结的单向导电性 PN结在不同极性的外加电压作用时，其导电能力有显著差异。外加正向电压导通，外加反向电压截止。 1 外加正向电压 何为正向电压 空间电荷区发生了什么变化，为什么 何种类型的电流，流向如何 当PN结的P区接外加电压的正极，N区接外加电压的负极，称PN结外加正向电压 正向偏置电压，正偏 。此时PN结的空间电荷区被削弱，扩散电流远远大于漂移电流，电路中形成正向电流IF，而且IF会随外加电压的升高急速上升。这时称PN结为导通状态，它可看成一个阻值很小的电阻。 PN结正向导电性说明 2 外加反向电压 何为反向电压 空间