半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1分析

1、第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 第第1章章 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 器器 件件 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1.2PN結(jié)結(jié) 1.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 1.4 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素, 如銅、鐵、鋁等金屬, 其最外層電子受原子核的束縛力很小, 因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場(chǎng)作用下, 這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)(稱為漂移運(yùn)動(dòng))形成電流, 呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特性。高價(jià)元素(如惰性氣體)和高分子物質(zhì)(如橡膠, 塑料)最外層電子受

2、原子核的束縛力很強(qiáng), 極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子, 所以其導(dǎo)電性極差, 可作為絕緣材料。而半導(dǎo)體材料最外層電子既不像導(dǎo)體那樣極易擺脫原子核的束縛, 成為自由電子, 也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊, 因此, 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性介于二者之間。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺, 它們都是四價(jià)元素, 在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子。為便于討論, 采用圖 1- 所示的簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型。把硅或鍺材料拉制成單晶體時(shí), 相鄰兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子(價(jià)電子)成為共有電子, 它們一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng),

3、 另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。即價(jià)電子不僅受到自身原子核的作用, 同時(shí)還受到相鄰原子核的吸引。于是, 兩個(gè)相鄰的原子共有一對(duì)價(jià)電子, 組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。故晶體中, 每個(gè)原子都和周圍的個(gè)原子用共價(jià)鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來(lái),如圖 - 所示。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 4圖 1 1 硅和鍺簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型 4共價(jià)鍵價(jià)電子44444444圖 1 2 本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)示意圖 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 444444444自由電子空穴 共價(jià)鍵中的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)而獲得一定的能量, 其中少數(shù)能夠擺脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子, 同時(shí)必然在共價(jià)鍵中留下空位, 稱為空穴?？昭◣д? 如圖 1-所示

4、。 圖 1 3 本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 由此可見(jiàn), 半導(dǎo)體中存在著兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導(dǎo)體中, 自由電子與空穴是同時(shí)成對(duì)產(chǎn)生的, 因此, 它們的濃度是相等的。我們用n和p分別表示電子和空穴的濃度, 即ni=pi, 下標(biāo)i表示為本征半導(dǎo)體。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)中獲得能量產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。同時(shí)自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中失去能量, 與空穴相遇, 使電子、 空穴對(duì)消失, 這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下, 載流子的產(chǎn)生過(guò)程和復(fù)合過(guò)程是相對(duì)平衡的, 載流子的濃度是一定的。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度, 除了與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以

5、外, 還與溫度有關(guān), 而且隨著溫度的升高, 基本上按指數(shù)規(guī)律增加。因此, 半導(dǎo)體載流子濃度對(duì)溫度十分敏感。對(duì)于硅材料, 大約溫度每升高, 本征載流子濃度ni增加 1 倍；對(duì)于鍺材料, 大約溫度每升高, 增加 1 倍。 除此之外, 半導(dǎo)體載流子濃度還與光照有關(guān), 人們正是利用此特性, 制成光敏器件。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中, 摻入微量?jī)r(jià)元素, 如磷、銻、砷等, 則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有個(gè)價(jià)電子, 因此它與周圍個(gè)硅(鍺)原子組成共價(jià)鍵時(shí), 還多余 1 個(gè)價(jià)電子。 它不受共價(jià)鍵的束縛

6、, 而只受自身原子核的束縛, 因此, 它只要得到較少的能量就能成為自由電子, 并留下帶正電的雜質(zhì)離子, 它不能參與導(dǎo)電, 如圖-所示。顯然, 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度, 即nnpn(下標(biāo)表示是型半導(dǎo)體), 主要靠電子導(dǎo)電, 所以稱為型半導(dǎo)體。由于價(jià)雜質(zhì)原子可提供自由電子, 故稱為施主雜質(zhì)。型半導(dǎo)體中, 自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 444454444鍵外電子施主原子圖 1 - 4 N型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度。由于少數(shù)載流子是半導(dǎo)體材料共價(jià)鍵提供的, 因而其濃度主要取決于

7、溫度。 此時(shí)電子濃度與空穴濃度之間, 可以證明有如下關(guān)系： 212111pnpnpnnn 即在一定溫度下, 電子濃度與空穴濃度的乘積是一個(gè)常數(shù), 與摻雜濃度無(wú)關(guān)。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中, 摻入微量?jī)r(jià)元素, 如硼、鎵、銦等, 則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。 444444444空位受主原子圖 1 5 P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 1. 結(jié)結(jié) 1.2.1 異型半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象異型半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象 P(a) 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)NP(b) 平衡時(shí)阻擋層形成N耗盡層空間電荷區(qū)自建場(chǎng)圖 1 - 6 PN結(jié)的形成 第1章 半導(dǎo)體器件基

8、礎(chǔ) 1.2.2 結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?1. 結(jié)外加正向電壓結(jié)外加正向電壓 若將電源的正極接區(qū), 負(fù)極接區(qū), 則稱此為正向接法或正向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相反, 削弱了自建場(chǎng), 使阻擋層變窄, 如圖-()所示。 顯然, 擴(kuò)散作用大于漂移作用, 在電源作用下, 多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成正向電流, 其方向由電源正極通過(guò)區(qū)、區(qū)到達(dá)電源負(fù)極。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 此時(shí), 結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài), 它所呈現(xiàn)出的電阻為正向電阻, 其阻值很小。 正向電壓愈大, 正向電流愈大。其關(guān)系是指數(shù)關(guān)系： TUUSDeII式中, 為流過(guò)結(jié)的電流；U為結(jié)兩端電壓； , 稱為溫度電壓當(dāng)

9、量, 其中k為玻耳茲曼常數(shù), 為絕對(duì)溫度,q為電子的電量,在室溫下即時(shí),；為反向飽和電流。電路中的電阻是為了限制正向電流的大小而接入的限流電阻。qkTUT第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) NP外電場(chǎng)(a) 外加正向電壓PN(b) 外加反向電壓自建場(chǎng)ID R外電場(chǎng)自建場(chǎng)RUU圖 1 - 7 PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 2. 結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓 若將電源的正極接區(qū), 負(fù)極接區(qū), 則稱此為反向接法或反向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相同, 增強(qiáng)了自建場(chǎng), 使阻擋層變寬, 如圖-()所示。 此時(shí)漂移作用大于擴(kuò)散作用, 少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng), 由于其電流方

10、向與正向電壓時(shí)相反, 故稱為反向電流。 由于反向電流是由少數(shù)載流子所形成的, 故反向電流很小, 而且當(dāng)外加反向電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏時(shí), 少數(shù)載流子基本全被電場(chǎng)拉過(guò)去形成漂移電流, 此時(shí)反向電壓再增加, 載流子數(shù)也不會(huì)增加, 因此反向電流也不會(huì)增加, 故稱為反向飽和電流, 即 。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 此時(shí), 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài), 呈現(xiàn)的電阻稱為反向電阻, 其阻值很大, 高達(dá)幾百千歐以上。 綜上所述：結(jié)加正向電壓, 處于導(dǎo)通狀態(tài)；加反向電壓, 處于截止?fàn)顟B(tài), 即結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴?將上述電流與電壓的關(guān)系寫成如下通式： 此方程稱為伏安特性方程, 如圖 - 所示, 該曲線稱為伏安特性曲線。 ) 1(TU

11、USDeII(1-1)第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) UIOUB圖 1 - 8 PN結(jié)伏安特性 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 1.2.3 結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿 PN結(jié)處于反向偏置時(shí), 在一定電壓范圍內(nèi), 流過(guò)結(jié)的電流是很小的反向飽和電流。但是當(dāng)反向電壓超過(guò)某一數(shù)值()后, 反向電流急劇增加, 這種現(xiàn)象稱為反向擊穿, 如圖 - 所示。稱為擊穿電壓。 結(jié)的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。 第1章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 當(dāng)反向電壓足夠高時(shí), 阻擋層內(nèi)電場(chǎng)很強(qiáng), 少數(shù)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)受強(qiáng)烈電場(chǎng)的加速作用, 獲得很大的能量, 在運(yùn)動(dòng)中與其它原子發(fā)生碰撞時(shí), 有可能將價(jià)電子“打”出共價(jià)鍵, 形成新的電子、 空穴對(duì)。這些新的載流子與原先的載流子一道, 在強(qiáng)電場(chǎng)作用下碰撞