第一章常用半導(dǎo)體器件和集成電路中的元件

1、第一章常用半導(dǎo)體器件和集成電路中的元件半導(dǎo)體半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)1 什么是半導(dǎo)體什么是半導(dǎo)體2半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性3半導(dǎo)體的分類半導(dǎo)體的分類4PN結(jié)結(jié)1.1.什么是半導(dǎo)體什么是半導(dǎo)體(semiconductors)物質(zhì)的導(dǎo)電性決定于原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的導(dǎo)電性決定于原子結(jié)構(gòu)導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體2.2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性摻雜敏感摻雜敏感 溫度敏感溫度敏感 光照敏感光照敏感3.3.半導(dǎo)體的分類半導(dǎo)體的分類半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 (intrinsic semiconductor)價(jià)電子價(jià)電子本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的原

2、子結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)圖立體結(jié)構(gòu)圖SiSiSiSiSiSiSi平面示意圖平面示意圖本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 ( intrinsic semiconductor )共價(jià)鍵共價(jià)鍵(covalent bond)價(jià)電子價(jià)電子立體結(jié)構(gòu)圖立體結(jié)構(gòu)圖本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 ( intrinsic semiconductor )SiSiSiSiSiSiSi空穴空穴自由電子自由電子本征激發(fā)本征激發(fā)復(fù)復(fù) 合合半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì) 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加外加電壓，導(dǎo)體中將出現(xiàn)當(dāng)半導(dǎo)體兩端加外加電壓，導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流兩部分電流外電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向SiSiSiSiSiSiSi電子電流電子電流空穴電流空穴電流外電場(chǎng)方

3、向SiSiSiSiSiSiSi空穴電流空穴電流 電子電流電子電流 自由電子和空穴統(tǒng)稱自由電子和空穴統(tǒng)稱載流子 在半導(dǎo)體中，同時(shí)在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電半導(dǎo)空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì) 自由電子在自由電子在共價(jià)鍵共價(jià)鍵以外以外運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)，空穴空穴在在共價(jià)鍵以內(nèi)共價(jià)鍵以內(nèi)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì)3(2)21GOEkTiinpK T e本征半導(dǎo)體中載流子的濃度本征半導(dǎo)體中載流子的濃度在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由本征半導(dǎo)體中載流子的濃

4、度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。電子與空穴的濃度相等。 K K1 1 與材料有關(guān)的常數(shù)與材料有關(guān)的常數(shù) E EGO GO 禁帶寬度禁帶寬度 T T 熱力學(xué)溫度，絕對(duì)溫度熱力學(xué)溫度，絕對(duì)溫度 k k 玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù) 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中電子的濃度中電子的濃度空穴濃度空穴濃度: :表示單位體積的空穴數(shù)表示單位體積的空穴數(shù) ( p( pi i ) )電子濃度電子濃度: :表示單位體積的自由電子數(shù)（表示單位體積的自由電子數(shù)（n ni i）當(dāng)材料一定時(shí)：當(dāng)材料一定時(shí)：載流子的濃度主要取決于溫度；載流子的濃度主要取決于溫度；溫度增加使導(dǎo)電能力激增。溫度增加使導(dǎo)電能力激增。且溫度可人為

5、控制且溫度可人為控制 。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中空穴的濃度中空穴的濃度價(jià)帶、禁帶、導(dǎo)帶自由電子自由電子導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶EGO價(jià)帶價(jià)帶空穴空穴載流子的能帶圖載流子的能帶圖價(jià)電子價(jià)電子能量能量幾種不同材料的能帶圖能能 量量導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶能能 量量導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶1.21 eV0.785 eV0.01 eV（絕緣體）（絕緣體）（硅）（硅）（鍺）（鍺）（導(dǎo)體）（導(dǎo)體） 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電子參與導(dǎo)電 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)度有關(guān)本征半導(dǎo)體結(jié)論本征半導(dǎo)體結(jié)論 本征

6、半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少且數(shù)量少 SiSiSiSiSiSiSiPN 型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷N型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSiP多余價(jià)電子多余價(jià)電子雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體+ +在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷 自由電子是多數(shù)載子，空穴是少數(shù)載流子自由電子是多數(shù)載子，空穴是少數(shù)載流子在常溫下即可在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮幼優(yōu)樽杂呻娮犹峁┮粋€(gè)提供一個(gè)電子電離電子電離為正離子為正離子 施主原子施主原子SiSiSiSiSiSiSiBP型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在硅或鍺的

7、晶體中摻入三價(jià)元素硼在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼SiSiSiSiSiSiSiB空位空位B空穴空穴-P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼空穴成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子空穴成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子 接受一個(gè)接受一個(gè)電子電離電子電離為負(fù)離子為負(fù)離子 受主原子受主原子三、三、P P 型、型、N N 型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化圖示型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化圖示負(fù)離子負(fù)離子多數(shù)載流子多數(shù)載流子少數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子正離子多數(shù)載流子多數(shù)載流子 少數(shù)載流子少數(shù)載流子P型型N型型無(wú)論無(wú)論N N型或型或P P型半型半導(dǎo)體都是中性的導(dǎo)體都是中性的PNPN結(jié)結(jié)1 PN

8、結(jié)的形成結(jié)的形成2PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?PN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程4PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性5PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差濃度差P P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，漂移結(jié)果使空動(dòng)越強(qiáng)，漂移結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄間電荷區(qū)變窄 擴(kuò)散的結(jié)果使擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 擴(kuò)散和漂擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，到動(dòng)態(tài)平衡，形成形成PNPN結(jié)結(jié)+形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)PN PN 結(jié)的形成結(jié)的形成(

9、(PN Junction) )1. PN1. PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接正、接正、N接負(fù)接負(fù) 外電場(chǎng)外電場(chǎng)IFPNPN結(jié)加正向電壓時(shí)，結(jié)加正向電壓時(shí)，PNPN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；PNPN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小。結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小。內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)PN+二、二、PN PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?2. PN 2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）結(jié)加反向電壓（反向偏置） P P接負(fù)、接負(fù)、N N接正接正 +PN PN 結(jié)變寬結(jié)變寬2. PN 2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）結(jié)加反向電壓（反向偏置）

10、IS P P接負(fù)、接負(fù)、N N接正接正 溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。PN PN 結(jié)加反向電壓時(shí)，結(jié)加反向電壓時(shí)，PNPN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。PNPN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大。結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大。正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大; ;反偏截止，電阻很大，電流近似為零反偏截止，電阻很大，電流近似為零二、二、PN PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)三、三、PN PN 結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程/S(e1)Tu UiIqkTUT 當(dāng)當(dāng) T = 300K

11、( (室溫室溫27 C) )時(shí)時(shí)UT = 26 mV23019)1.38 10(273t()(1.6 10;(JkKTCqC C（玻爾茲曼常數(shù)開(kāi)氏溫標(biāo)）電子的電量）庫(kù)侖）四、四、PNPN結(jié)伏安特性結(jié)伏安特性) 1(/TuuseIiiuUBR五、五、 PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 1. 1.勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容C Cb b2.2.擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容C Cd d 五、五、 PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 擴(kuò)散電容示意圖PN結(jié)結(jié)電容結(jié)結(jié)電容 Cj=Cb+Cd1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)類型和符號(hào)結(jié)構(gòu)類型和符號(hào)伏安特性及溫度的影響伏安特性及溫度的影響主要參數(shù)主要參數(shù)二極管的等效電路二極

12、管的等效電路穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管其他類型二極管其他類型二極管1.2.3 1.2.3 1.2.5 1.2.5 1.2.6 1.2.6 半導(dǎo)體二極管圖片點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型陽(yáng)極陽(yáng)極引線引線金屬絲金屬絲N 型鍺片型鍺片外殼外殼陰極陰極引線引線陰極引線陰極引線 面接觸型面接觸型N型硅型硅PN 結(jié)結(jié) 陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金銻金銻合金合金1.2.1 1.2.1 結(jié)構(gòu)類型和符號(hào)結(jié)構(gòu)類型和符號(hào)集成電路中平面型集成電路中平面型anode陰極陰極cathode陽(yáng)極陽(yáng)極IS 反向飽和電流反向飽和電流UT =kT/q 溫度電壓當(dāng)量溫度電壓當(dāng)量UT=26 mV 室溫室溫27攝氏度攝氏度 TS(e1)

13、DuUDiI1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線OuD /ViD /mA正向特性正向特性反向特性反向特性ISU (BR)反向擊穿反向擊穿OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uon反向特性反向特性U (BR)反向擊穿反向擊穿1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性實(shí)際二極管的伏安特性實(shí)際二極管的伏安特性1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度對(duì)二極管伏安特性的影響由二極管的電流由二極管的電流方程方程TS(e1)DuUDiI結(jié)論：溫度會(huì)影響二極管中的電流結(jié)論：溫度會(huì)影響二極管中的電流 反向飽和電流反向飽和電流IS也和溫度

14、有關(guān)，且其敏感性高于也和溫度有關(guān)，且其敏感性高于UT 一一 般情況下，溫度每升高般情況下，溫度每升高10攝氏度，攝氏度，IS值增加一倍。值增加一倍。 溫度電壓當(dāng)量就由溫度決定。溫度電壓當(dāng)量就由溫度決定。020pAVCC0例：硅二極管在時(shí)的反向飽和電流是0.1。 求在正向偏置電壓為0.55 時(shí)的電流。 求當(dāng)其他條件不變溫度升高到100時(shí)的電流值。1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度升高：正向特性曲線左移，反向特性曲線下移溫度升高：正向特性曲線左移，反向特性曲線下移1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度對(duì)二