1-12 半導(dǎo)體PN結(jié).ppt

1、1,第一章 半導(dǎo)體器件,本章是本課程的基礎(chǔ)，應(yīng)著重掌握以下要點(diǎn)： （1）半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。 （2）PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?（3）三極管的結(jié)構(gòu)、類型及其電流放大原理 （4）三極管的特性及其主要參數(shù) 本章內(nèi)容： 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1.2 PN結(jié) 1.3 半導(dǎo)體二極管 1.4 半導(dǎo)體三極管,2,1.1.1 本征半導(dǎo)體 1）導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。,1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),3,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物

2、質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：,當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使 它的導(dǎo)電能力明顯改變。,半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs以及一些硫化物、氧化物等。,4,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。,2） 本征半導(dǎo)體,硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化模型,(束縛電子),現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。,5,(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

3、,硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。,6,硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),共價(jià)鍵共 用電子對(duì),+4表示除去價(jià)電子后的原子,7,共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,8,（2）電子空穴對(duì),當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有些獲得

4、足夠的能量的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，成為自由電子。,自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,9,自由電子,空穴,束縛電子,可見：因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。,10,游離的部分自由電子在運(yùn)動(dòng)中也可能回到空穴中去。自由電子和空穴相遇重新結(jié)合成對(duì)消失的過程，稱為復(fù)

5、合 。,這一現(xiàn)象稱為復(fù)合。,本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,本征激發(fā)和復(fù)合的過程,11,(3)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。,本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,12,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。,自由電子的定向運(yùn)動(dòng)

6、形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。 空穴的運(yùn)動(dòng) = 相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子反向依次填補(bǔ)空穴位來實(shí)現(xiàn)的,13,本征激發(fā)：,在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位（空穴）的過程。,復(fù)合：,自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)合成對(duì)消失的過程。,漂移：,自由電子和空穴在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。,兩種載流子,電子（自由電子）,空穴,兩種載流子的運(yùn)動(dòng),自由電子（在共價(jià)鍵以外）的運(yùn)動(dòng),空穴（在共價(jià)鍵以內(nèi)）的運(yùn)動(dòng),結(jié)論:,1. 本征半導(dǎo)體的電子空穴成對(duì)出現(xiàn), 且數(shù)量少；,2. 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；,3. 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電

7、能力弱，并與溫度有關(guān)。常溫下。電子-空穴對(duì)僅為三萬(wàn)億分子一。,總結(jié),14,1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,1）本征半導(dǎo)體缺點(diǎn)？,(1)電子濃度=空穴濃度； (2)載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。 摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體,2）雜質(zhì)半導(dǎo)體,15,(1）N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，即可形成 N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電

8、子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易被激發(fā)而成為自由電子。,在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由 雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。,提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為 正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。,16,N 型半導(dǎo)體,磷原子,自由電子,電子數(shù) 空穴數(shù),電子為多數(shù)載流子(多子),空穴為少數(shù)載流子(少子),載流子數(shù) = 電子數(shù) + 空穴數(shù) 電子數(shù),施主 離子,施主 原子,由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（

9、少子）。,17,(2) P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。 因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。,空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三 價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。,18,硼原子,空穴,空穴數(shù) 電子數(shù),空穴 多子,電子 少子,載流子數(shù) 空穴數(shù),受主 離子,受主 原子,P型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體中 空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。,19,3）雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)

10、量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,N 型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,20,4）雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用,I,IP,IN,I = IP + IN,N 型半導(dǎo)體 I IN,P 型半導(dǎo)體 I IP,21,5）雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,摻入雜 質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大 的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:,以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3 。,22,漂移運(yùn)動(dòng)：兩種載流子（電子和空穴）在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的定向運(yùn)動(dòng)。 兩種載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流方向一致。,1.1.3 半導(dǎo)體載流子的運(yùn)動(dòng),。,電流I,。,.,.,空穴,。,電子,電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng),23,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于載流子濃度的差異，

11、而形成的載流子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散，產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,空穴擴(kuò)散示意,24,1.2.1 PN結(jié)的形成,在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:,1.2 PN結(jié),25,一多數(shù)載流子的擴(kuò)散 P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機(jī)地結(jié)合在一起時(shí)，因?yàn)镻區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散，并在N區(qū)被電子復(fù)合。而N區(qū)中的電子也會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的不斷進(jìn)行，界面兩側(cè)顯露出的正、負(fù)離子逐漸增多，空間電荷區(qū)展寬，使內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，

12、于是漂移運(yùn)動(dòng)隨之增強(qiáng)。,二少數(shù)載流子的漂移 在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的少子自由電子向N區(qū)漂移，而N區(qū)中的少子空穴向P區(qū)飄移，使內(nèi)電場(chǎng)削弱。,26,三擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡 當(dāng)內(nèi)電場(chǎng)達(dá)到一定值時(shí)，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與少子的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，這時(shí)，雖然擴(kuò)散和漂移仍在不斷進(jìn)行，但通過界面的凈載流子數(shù)為零?？臻g電荷區(qū)不再變化，這個(gè)空間電荷區(qū)，就稱為PN結(jié)。 空間電荷區(qū)無載流子停留，故曰耗盡層，又叫阻擋層或勢(shì)壘層。無外電場(chǎng)作用時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部雖有載流子運(yùn)動(dòng)，但無定向電流形成。 實(shí)際中，如果P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)相對(duì)界面對(duì)稱，稱為對(duì)稱結(jié)。如果一邊摻雜濃度大(重?fù)诫s)，一邊摻雜濃度小(輕摻雜)，則

13、稱為不對(duì)稱結(jié)。用P+N或PN+表示(+號(hào)表示重?fù)诫s區(qū))。這時(shí)耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。,27,PN結(jié)的形成過程,在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:,因濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū), 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng), 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移, 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,28,對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,形成PN結(jié) 。 擴(kuò)散電流 = 漂移電流 總電流 = 0,P N,+,-

14、,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,由于接觸面載流子運(yùn)動(dòng)形成PN結(jié)示意圖,內(nèi)電場(chǎng) - +,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 漂移運(yùn)動(dòng),29,實(shí)質(zhì)上： PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場(chǎng)=電阻,空間電荷區(qū)特點(diǎn): 無載流子 阻止多子的擴(kuò)散進(jìn)行 利于少子的漂移,P N,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,30,1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使PN結(jié)中： P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。,P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加

15、反向電壓， 簡(jiǎn)稱反偏。,31,內(nèi)電場(chǎng),外電場(chǎng),外電場(chǎng)使多子向 PN 結(jié)移動(dòng), 中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流 IF 。,IF = I多子 I少子 I多子,（1） 外加正向電壓(正向偏置), forward bias,PN結(jié)外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。,32,(2) 外加反向電壓(反向偏置), reverse bias,外電場(chǎng)使少子背離 PN 結(jié)移動(dòng)， 空間電荷區(qū)變寬。,PN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈

16、小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。,漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流 IR,IR = I少子 0,PN結(jié)外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。,33,在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。,PN結(jié)變窄,P N,+ - R,外加正向電壓示意(導(dǎo)電）,PN結(jié)變寬,P N,- + R,外加反向電壓示

17、意（截止）,正向電流If,反向電流Is,34,(3) PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，具有很小的反向漂移電流，電流近似為零。,由此可以得出結(jié)論： PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?35,ID _流過PN結(jié)的電流； IS _反向飽和電流； u 為結(jié)電壓 UT溫度的電壓當(dāng)量， k 為波耳次曼常數(shù)（1.38110-3J/k） T 為絕對(duì)工作溫度 q 為電子電荷量1.610-19C,1.2.3 PN結(jié)的伏安(V-A)特性,1）、表達(dá)式：,當(dāng) T = 300(27C)：,UT = 26 mV,36,2）、V-A特性曲線,加正向電壓時(shí),加反向電壓時(shí),iIS,37,當(dāng)反向電壓

18、超過反向擊穿電壓UB時(shí)，反向電流 將急劇增大，而PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大，此 現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,1.2.4 PN結(jié)的擊穿特性,U U（BR）,反向電流急劇增大,(反向擊穿),1）反向擊穿類型：,電擊穿,熱擊穿, PN結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。, PN結(jié)燒毀。,38,2）反向擊穿原因：,雪崩擊穿:,反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊 使自由電子數(shù)突增。,(擊穿電壓 6V, 正溫度系數(shù)),擊穿電壓在 6 V左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。,雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓足夠 高時(shí)（U6V）PN結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)較強(qiáng)，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價(jià)電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。,39,齊納擊穿： （Zener),反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。 (擊穿電壓 6V, 負(fù)溫度系數(shù)),齊納擊穿： 對(duì)摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U6V），耗盡層可獲得很大的場(chǎng)強(qiáng)，足以將價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來，而獲得更多的電子空穴對(duì)，