第5章 材料的電導(dǎo)性能-6

第5章材料的電導(dǎo)性能2009.04pn結(jié)整流原理原來p區(qū)相對n區(qū)的電勢為-Φ,如果加電壓V0于p區(qū),則p區(qū)相對n區(qū)的電勢為-(Φ-V0),這時勢壘高度為e(Φ-V0)如果V0為正電壓,則能帶圖中勢壘將降低。勢壘不再能完全抵消電子和空穴的擴(kuò)散作用在平衡條件下,電子濃度在p區(qū)和n區(qū)之比為同理,在平衡條件下，空穴濃度在p區(qū)和n區(qū)之比為當(dāng)施加外電壓V0而引起靜電勢改變在低注入條件下，注入的少數(shù)載流子濃度比多數(shù)載流子濃度小得多，因此P區(qū)耗盡層邊界的電子濃度同理有n區(qū)耗盡層邊界的空穴濃度由于外電壓存在，注入的空穴不斷向n區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散流為，在擴(kuò)散過程中不斷復(fù)合消失。根據(jù)連續(xù)性方程，在穩(wěn)態(tài)情況下，由擴(kuò)散流不均勻而造成的積累率與非平衡載流子的凈復(fù)合率相等，向n區(qū)擴(kuò)散的空穴的積累率為凈復(fù)合率U與多余少數(shù)載流子濃度成正比，比例常數(shù)1/τp，τp為多余少數(shù)載流子壽命在熱平衡下U=0，凈符合率U與多余少數(shù)載流子的濃度的關(guān)系為邊界條件方程的解空穴在n區(qū)的擴(kuò)散長度在x=xn時，由空穴產(chǎn)生的電流密度Jp(xn)同理，進(jìn)入p區(qū)的電流密度Jn(-xp)Dn表示電子擴(kuò)散系數(shù)，Ln是電子的擴(kuò)散長度通過pn結(jié)界面的總電流J為－－－－++++RE一、PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。二、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。REPN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。PN二極管的電路符號：陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型陰極陽極(

d

)符號DU死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.2~0.3V反向擊穿電壓UBR+--+反向飽和電流，硅管達(dá)10-9A,鍺管10-5AI外電場不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻力，故正向電流很小反向電流的大小基本保持恒定，與反向電壓的高低無關(guān)3.結(jié)晶體管和場效應(yīng)管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極集電區(qū)：面積最大1）結(jié)晶體管三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。2）場效應(yīng)管（1）結(jié)構(gòu)漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)(2)N溝道增強(qiáng)型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。

當(dāng)柵源電壓UGS=0時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SDEGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當(dāng)UGS>0時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達(dá)表層，填補(bǔ)空穴形成負(fù)離子的耗盡層；N型導(dǎo)電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導(dǎo)通。當(dāng)UGS>UGS（th）時，將出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬。EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導(dǎo)電溝道當(dāng)UGS

UGS(th）后，場效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開始導(dǎo)通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以，場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。(3)

特性曲線有導(dǎo)電溝道轉(zhuǎn)移特性曲線無導(dǎo)電溝道開啟電壓UGS(th）UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏極特性曲線恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)

場效應(yīng)管與晶體管的比較電流控制電壓控制控制方式電子和空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電載流子電子或空穴中一種載流子參與導(dǎo)電類型

NPN和PNPN溝道和P溝道放大參數(shù)

rce很高

rds很高

輸出電阻輸入電阻較低較高雙極型三極管單極型場效應(yīng)管熱穩(wěn)定性差好制造工藝較復(fù)雜簡單，成本低對應(yīng)電極

B—E—C

G—S—D5.3超導(dǎo)體電子彼此之間存在各種直接或間接的相互作用與關(guān)聯(lián)在極低溫度下，會出現(xiàn)某種電子有序態(tài)，稱為超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)中傳導(dǎo)電子表現(xiàn)的性質(zhì)不同于理想費(fèi)米氣，實(shí)質(zhì)上是具有相互作用的費(fèi)米系統(tǒng)在低溫下的一個宏觀量子現(xiàn)象不是某些金屬特有的5.3.1超導(dǎo)態(tài)三個重要特征1、不存在可觀測的直流電阻昂尼斯實(shí)驗(yàn)2、完全的抗磁性邁斯納效應(yīng)3、超導(dǎo)體存在超導(dǎo)能隙超導(dǎo)體比熱容、電子隧道效應(yīng)、與頻率相關(guān)的電磁行為和聲衰減現(xiàn)象說明能隙的存在超導(dǎo)體比熱容正常金屬低溫比熱容AT+BT3在T≤TC的零磁場下，超導(dǎo)體比熱容發(fā)生根本改變電子對熱容的線性貢獻(xiàn)變?yōu)橹笖?shù)形式對于低溫超導(dǎo)體，理論和實(shí)驗(yàn)都表明能隙具有kTC量級5.3.2超導(dǎo)體三個性能指標(biāo)1、超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度TC,他越接近室溫越好2、超導(dǎo)體的臨界磁場強(qiáng)度BC。BC大小與溫度T的關(guān)系為:3、超導(dǎo)體的臨界電流密度保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流5.3.3兩類超導(dǎo)體I類超導(dǎo)體：除V、Nb、Ta以外的元素超導(dǎo)體M：磁化強(qiáng)度（負(fù)號表示抗磁性），Ba：外磁場，Bc：臨界磁場強(qiáng)度，Tc：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度II類超導(dǎo)體超導(dǎo)體：V、Nb、Ta以及合金和化合物超導(dǎo)體有兩個臨界磁場：下臨界磁場和上臨界磁場在溫度低于Tc條件下，外磁場Ba<Bc1時，II類超導(dǎo)體與I類超導(dǎo)體相似，都處于邁斯納狀態(tài)（B=0），當(dāng)外磁場Ba介于Bc1和Bc2之間時，II類超導(dǎo)體處于混合態(tài)（也稱渦旋態(tài)）部分區(qū)域有磁感應(yīng)線穿過，屬于正常態(tài)，它的周圍卻是超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)仍具有零電阻特性當(dāng)外磁場Ba達(dá)到Bc2時，正常態(tài)數(shù)目增多到彼此相接觸，整體超導(dǎo)體都變成了正常態(tài)II類超導(dǎo)體按其磁化曲線是否可逆，又分為理想的和非理想的II超導(dǎo)體5.3.4超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)BCS理論（巴丁J.Bardeen，庫柏L.N.Cooper，施瑞弗J.R.Sehriffer）超導(dǎo)體中的電子在超導(dǎo)態(tài)時，電子之間存在著特殊的吸引力，而不是正常態(tài)時電子之間的靜電斥力使電子雙雙結(jié)成電子對（超導(dǎo)態(tài)電子與晶格點(diǎn)陣間相互作用產(chǎn)生的結(jié)果）產(chǎn)生庫柏電子對（動量和自旋方向相反的兩個電子）組成庫柏對的兩個電子之間的這種相互吸引作用與正離子的振動有關(guān)，而且在超導(dǎo)體內(nèi)，這些正離子的運(yùn)動是相互牽連的，某個正離子的振動，會使鄰近正離子也發(fā)生振動，一個個傳下去，形成了一個以聲速在晶格上傳播的波動，即格波兩個電子的相互作用范圍為10-6-10-9m材料變成超導(dǎo)態(tài)時，由于電子結(jié)成庫柏對，使能量降低為一種穩(wěn)定態(tài)。一個超導(dǎo)電子對的能量比形成它的單獨(dú)的兩個正常態(tài)的電子的能量低T=0時，能隙最大當(dāng)電子對獲得的能量大于時就進(jìn)入正常態(tài)，即電子對被拆開成兩個獨(dú)立的正常態(tài)電子當(dāng)溫度或外磁場強(qiáng)度增加時，電子對獲得能量，能隙減小當(dāng)溫