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)知識基礎(chǔ)知識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)價電子價電子本征半導(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 )共價鍵共價鍵(covalent bond)價電子價電子立體結(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方向外電場方向SiSiSiSiSiSiSi電子電流電子電流空穴電流空穴電流外電場方

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，同時在半導(dǎo)體中，同時存在著電子導(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鍵共價鍵以外以外運動，運動，空穴空穴在在共價鍵以內(nèi)共價鍵以內(nèi)運動運動半導(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)合達到動態(tài)平衡，在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合達到動態(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，絕對溫度熱力學(xué)溫度，絕對溫度 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：當(dāng)材料一定時：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價帶價帶空穴空穴載流子的能帶圖載流子的能帶圖價電子價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)帶禁帶禁帶價帶價帶能能 量量導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價帶價帶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)體中電子空穴成對出現(xiàn)，本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(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元素磷在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷N型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSiP多余價電子多余價電子雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體+ +在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷 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€提供一個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、晶體中摻入三價元素硼在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼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元素硼在硅或鍺的晶體中摻入三價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 接受一個接受一個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)體的簡化圖示型半導(dǎo)體的簡化圖示負(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型型無論無論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)多子的擴散運動多子的擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場少子的漂移運動少子的漂移運動濃度差濃度差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)電場越強，漂移運內(nèi)電場越強，漂移運動越強，漂移結(jié)果使空動越強，漂移結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄間電荷區(qū)變窄 擴散的結(jié)果使擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 擴散和漂擴散和漂移這一對相反移這一對相反的運動最終達的運動最終達到動態(tài)平衡，到動態(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) 外電場外電場IFPNPN結(jié)加正向電壓時，結(jié)加正向電壓時，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)電場內(nèi)電場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，結(jié)加反向電壓時，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) )時時UT = 26 mV23019)1.38 10(273t()(1.6 10;(JkKTCqC C（玻爾茲曼常數(shù)開氏溫標(biāo)）電子的電量）庫侖）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.勢壘電容勢壘電容C Cb b2.2.擴散電容擴散電容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)類型和符號結(jié)構(gòu)類型和符號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)體二極管圖片點接觸型點接觸型陽極陽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) 陽極引線陽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)類型和符號結(jié)構(gòu)類型和符號集成電路中平面型集成電路中平面型anode陰極陰極cathode陽極陽極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際二極管的伏安特性實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二極管伏安特性的影響溫度對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：溫度會影響二極管中的電流結(jié)論：溫度會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：硅二極管在時的反向飽和電流是0.1。 求在正向偏置電壓為0.55 時的電流。 求當(dāng)其他條件不變溫度升高到100時的電流值。1.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性溫度對二極管伏安特性的影響溫度對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二極管伏安特性的影響溫度對二