3002大班文件XXXX级电子电路一讲稿(新)12.pptx

1.1 半导体基础知识半导体的概念：导电能力处于导体和绝缘体之间的材料； 原子之间的共价键键能较弱。GeSi 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。1.1.1 本征半导体概念：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。硅和锗的晶体结构：在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。+4+4+4+4硅和锗的共价键结构：共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子+4+4+4+4形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征激发：本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下 获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。 本征激发过程产生两种载流子：① 自由电子 ② 空穴复 合：自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失 的过程。+4+4+4+4空穴自由电子束缚电子本征半导体中载流子的浓度：式中：ni表示自由电子浓度，pi表示空穴的浓度； A0是与半导体材料有关的常数； k是波尔兹曼常数，k＝8.63×10-5(eV.K-1)； Eg0是T＝0K时的禁带宽度。结论：本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度相同， 具体浓度值与半导体材料和温度有很大关系。1.1.2 杂质半导体概念：掺入了杂质元素的半导体。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。两种类型的杂质元素：① 施主杂质（高价元素，提供电子） ② 受主杂质（低价元素，提供空位）1.1.2.1 N型半导体概念：在本征半导体中掺入高价元素（施主杂质）使半 导体中的电子浓度大大高于空穴浓度的半导体。+4+4+5+4多余电子磷原子掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。1.1.2.2 P型半导体概念：在本征半导体中掺入低价元素（受主杂质）使半 导体中的空穴浓度大大高于自由电子浓度的半导体。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。P 型半导体N 型半导体++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－杂质半导体的示意表示法杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.2.3 杂质半导体中的载流子浓度 N型半导体：P型半导体：nnpn=ni2=pi2nppp=ni2=pi2nn=ND+pnpp=NA+np式中：nn表示N型半导体中自由电子浓度，pn表示N型半导体中 空穴浓度，np表示P型半导体中自由电子浓度，pp表示P 型半导体中空穴浓度，ni，pi分别表示本征半导体中自由 电子和空穴浓度，ND表示施主杂质浓度，NA表示受主杂 质浓度结论：① 杂质半导体中，自由电子和空穴浓度的乘积等于同温 度下本征半导体中自由电子或空穴的浓度平方。 ② 杂质半导体中，多子的浓度近似等于掺杂浓度，少子 浓度随温度升高而迅速增大。1.1.3 载流子在半导体内的运动1.1.3.1 载流子在电场作用下的漂移运动概念：在外加电场作用下，自由电子和空穴产生定向运动Jpt=μp qpEJnt=-(-q)nμn E= μn qnE Jt=Jpt+Jnt=(pμp+nμn)qE式中：Jpt表示空穴漂移电流密度； Jnt表示电子漂移电流密度； Jt表示漂移电流密度； μn 表示自由电子迁移率； μp 表示空穴迁移率。1.1.3.2 载流子在浓度梯度作用下的扩散运动概念：在浓度差的作用下，自由电子和空穴产生的定向运动式中：JnD 表示电子电流密度； JpD 表示空穴电流密度； Dn 表示自由电子扩散率； Dp 表示空穴扩散率。1.2 PN结与晶体二极管在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。1.2.1 PN结的动态平衡过程和接触电位差 P型区到N型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很大，在浓度差下形成扩散运动，P区的空穴（多子）向N区扩散，N区的自由电子（多子）向P区扩散，在过渡区域产生强烈的复合作用使自由电子和空穴基本消失，在过渡带中产生一个空间电荷区（耗尽区），扩散运动使过渡带内失去了电中性，产生电位差和电场，分别称为接触电位差和内建电场，内建电场由N区指向P区阻碍多子