半导体的基本知识讲课.doc

电子技术基础 ——半导体的基本知识 11（6） 吴越 导体材料 1．半导体： 导电性能介于导体与绝缘体之间材料常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；掺杂半导体，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。 半导体的特点： 导电能力介于导体与绝缘体之间 受外界光和热的刺激时，导电能力会产生显著变化。 在纯净半导体中，加入微量的杂质，导电能力急剧增强。 半导体的共价键结构 Si、Ge是四价元素，最外层原子轨道上有四个价电子，邻近原子之间由共价键联结，具有晶体结构。 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体本征激发T=0K以上价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子 3．空穴本征激发价电子成为自由电子后共价键上留下空位。空穴是一个带正电的粒子其电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，和自由电子一样可以参加导电。邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的空穴也是一种载流子，这种载流子的运动，是人们根据共价键中出现空穴的移动而虚拟出来的本征半导体中的自由电子和空穴数相等P型半导体 在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空穴。P型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是电子（本征激发产生当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，半导体呈中性N型半导体 在硅或锗的晶体中掺入五价元素，如磷、砷、锑，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价键，多余的一个价电子在室温下就可以成为自由电子。杂质原子变成带正电荷的离子。由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。在N型半导体中多数载流子是电子，空穴为少数载流子PN结的形成 在同一块半导体中，一边掺杂成N型，另一边掺杂成P型，在N型、P型半导体的交界面上形成PN结。 → P区和N区载流子多子浓度差引起多子向对方扩散 P区留下了带负电的杂质离子,N区留下了带正电的杂质离子集中在P和N区交界面附近耗尽区从带正电的N区指向带负电的P区。 漂移运动使空间电荷区变窄。 →扩散与漂移达到动态平衡形成PN结。 接触电位差PN结空间电荷区的N区的电位要比P区高，其差值用Vo表示PN结的单向导电性 1. PN结P区接正极、N区接负极） 外加电场与PN结内电场方向相反VF称为正向电压。P区中的多数载流子空穴向PN结移动和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少IF。当外加电压VF稍有变化（如.1V），便能引起电流的显著变化。由少数载流了形成的漂移电流，方向与扩散电流相反，其数值很小，可忽略不计 图3.2.1 PN结PN结PN结P区接负、N区接正） 电场方向与PN结内电场方向相同，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结多数载流子就很难越过势垒，扩散电流趋近于零IR（一般为微安数量级 IR几乎与外加电压VR无关。在一定温度T下，热激发产生的少数载流子数一定，电流值趋于恒定。这时的反向电流IR就是反向饱和电流，用Is表示。Is受温度的影响较大 PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，具有单向导电性PN结的伏安特性 图3.2-3 半导体二极管的伏安特性 VT为温度的电压当量=kT/q，其中k为波耳兹曼常数（138×10–23J/K），T为热力学温度即绝对温度，q为电子电荷（16×10–19C）。VT≈26mV。 正向当＞0，且＞VT时，；反向当vD＜0，且时，iD≈–IS≈0。 图3.2.4 反向击穿 PN结的电容效应 CD： PN结正向偏置时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。 积累的电荷量随外加电压变化，引起电容效应而形成扩散电容。 2. 势垒电容CB： PN结的空间电荷随外加电压的变化而变化。 PN结反向偏置时，当外加电压升高时，电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从CB耗尽区当外加电压降低时，NP区空穴进入耗尽区，相当于电子和空穴分别向CB“充电”，耗尽区CB是非线性电容，与结电阻并联，