半导体器件基础案例.ppt

第一章 半导体器件基础 1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 BJT模型 1.5 场效应管 1.1 半导体的基本知识 在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。 本征半导体的共价键结构 束缚电子 在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。 一. 本征半导体 本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的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 空穴 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，称为空穴。 可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。 与本征激发相反的现象——复合 在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。 常温300K时： 电子空穴对 自由电子 带负电荷 电子流 动画演示 ＋总电流 空穴 带正电荷 空穴流 本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。 导电机制 二. 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。 1. N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。 N型半导体 多余电子 磷原子 硅原子 多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴 施主离子 自由电子 电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。 空穴 硼原子 硅原子 多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子 受主离子 空穴 电子空穴对 2. P型半导体 杂质半导体的示意图 多子—电子 少子—空穴 多子—空穴 少子—电子 少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关 ?因多子浓度差 ?形成内电场 ?多子的扩散 ?空间电荷区 ?阻止多子扩散，促使少子漂移。 PN结合 空间电荷区 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 三. PN结及其单向导电性 1 . PN结的形成 动画演示 动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流 总电流＝0 2. PN结的单向导电性 (1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I F (2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I R 在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 动画演示2 3. 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 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 1.38×10－23 q 为电子电荷量1.6×10－9 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26 mV。 4. PN结的电容效应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。 (1) 势垒电容CB (2) 扩散电容CD 当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 极间电容（结电容） 1.2 半导体二极管 二极管 = PN结 + 管壳 + 引线 结构 符号 二极管按结构分三大类： (