第一章 半导体器件基础讲义

第一章半导体器件基础讲义1.1半导体的基本知识一、半导体材料导体电阻率半导体绝缘体电阻率<10－4Ωcm >1010Ωcm，·典型半导体材料：硅（Silicon ,元素符号Si）锗（Germanium,元素符号Ge）化合物半导体如砷化镓（GaAs）等·半导体三特点：热敏性；②光敏性；③杂敏性。

·半导体导电能力与晶体结构的关系――半导体的导电能力取决于它的原子结构。

·硅原子结构简化模型：·硅原子的晶体结构：共价键。

·半导体指纯净的、结构完整的晶体·共价键内载流子的运动方式――价电子是可以在共价键内运动的。

二、本征半导体·T=0K（约为－273℃）时，所有价电子均被束缚在共价键内，不能导电。

·热激发T↑→价电子的热运动获得能量→摆脱共价键的吸引→成为自由电子，同时留下一个空位→相关原子成为正离子――中性原子的电离过程。

·空穴可以移动的，带正电荷的载流子。

空穴的运动形式――价电子在共价键内移动。

·半导体内的两种载流子：自由电子和空穴――两者带电量相同而极性相反，且均可移动。

·自由电子和空穴成对产生源于温度，称为热激发。

·热敏性T↑，热激发加剧，自由电子和空穴的浓度↑，电阻率↓。

·复合自由电子和空穴相遇，自由电子和空穴成对消失的过程。

·从能量的角度看激发和复合热激发是价电子获得能量摆脱共价键束缚的过程，复合则是自由电子释放出所获得的能量重新被共价键俘获的过程。

·热平衡浓度T↑→自由电子和空穴浓度↑→复合↑→动态平衡。

表现为在此温度下电子和空穴对的浓度宏观上不再变化。

称为此温度下的热平衡浓度。

温度提高后，热激发产生的自由电子－空穴对的数量出现新的增长，带动复合数量的增长，最终达到新的动态平衡，在新的温度下形成新的热平衡浓度。

·室温下，硅中载流子的热平衡浓度只有约1010/cm3，导体中自由电子浓度约1022/cm3，且不随温度而变。

·半导体中的导电机理在半导体中，自由电子带负电荷、空穴带正电荷，均可移动，两种载流子。

有：。

三、杂质半导体掺杂的目的：改变半导体的导电能力和导电类型。

根据掺入的是五价或三价元素，可以得到N型和P型两种类型的杂质半导体。

1. N型半导体掺入五价元素磷（或砷、锑）。

比例很小，不会破坏原来的晶体结构。

当磷原子取代晶体中的硅原子时，第五个价电子在室温下即可摆脱磷原子核的吸引变成自由电子，磷原子因丢失一个价电子而带正电，电离成不能移动的正离子。

磷原子称为施主元素，电离后出现的正离子称为施主离子。

硅原子密度为1022/cm3，按万分之一掺杂，自由电子数也将达到1018/cm3。

而室温下的热平衡浓度只有约1010/cm3。

多数载流子，简称多子。

少数载流子，简称少子。

电子型半导体或N型半导体。

2. P型半导体掺入微量三价元素硼，在室温下，掺入的硼原子均电离成负离子，并提供一个空穴。

同时半导体中原有热激发产生的微量自由电子－空穴对将使该半导体中有少量自由电子。

因为掺入的三价元素会接受电子，故称三价元素为受主元素，电离后的负离子称为受主离子。

在这种半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

导电时将以空穴电流为主，故将其称为空穴型半导体或P型半导体。

·结论在杂质半导体中多数载流子主要是由掺入的杂质元素提供的，所以我们通过控制掺杂浓度，即可改变半导体的导电能力。

·电中性问题N型半导体中：自由电子数＝空穴数＋正离子数，P型半导体中：空穴数＝自由电子数＋负离子数。

四、PN结及单向导电性1. 载流子的运动方式·扩散运动――扩散运动是由于浓度差，载流子由浓度高向浓度低方向的运动。

·漂移运动――漂移运动是载流子在电场作用下做的定向运动。

因载流子扩散形成的电流叫扩散电流，漂移形成的电流称为漂移电流。

2. PN结的形成浓度差→扩散→形成空间电荷区→内建电场→阻止扩散，利于漂移→动态平衡。

内建电场的影响：①阻碍两边多子的扩散。

N区的自由电子和P区的空穴在扩散穿越空间电荷区时，要克服电场力做功，这就使得能扩散到对方的多数载流子的数量减少；②有利于两边少数载流子的漂移。

内建电场对于两边区域的多数载流子的扩散运动是一个阻力场（或减速场），而对于两边区域的少数载流子却是一个加速场。

少数载流子只要因热运动进入内建电场的势力范围，就会在电场力的作用下加速漂移到达对方。

因为PN结空间电荷区中能够移动的带电粒子（自由电子和空穴）都扩散到对方区域复合掉了（载流子都消耗尽了），所以PN 结也叫做耗尽区。

3. PN结的单向导电性PN结的特点是具有单向导电性，在外加电压的作用下，PN结只允许通过单向电流。

（1）PN结正偏导通PN结正偏时，空间电荷区中的正负电荷量减少，PN结将变窄。

削弱了空间电荷区的电场。

这就减小了对多数载流子扩散的阻碍作用，因此两边多子扩散运动大于少子漂移运动，PN结内的电流便由起主导作用的扩散电流所决定。

称为正向电流I F。

正向压降约在0.6V～0.8V（硅管）之间。

当外加正向电压稍有增大时，PN结内电场将进一步被削弱，正向电流还将随之显著增加。

这就是PN结的正向导通状态。

（2）PN结反偏截止PN结反偏时，外加电场与内建电场方向相同，PN结内的总电场大大加强，一方面将使P区的空穴和N区的自由电子将离开PN结，PN结将变宽。

另一方面两边多子的扩散变得极为困难，因此多子的扩散电流趋近于零。

而更有利于少子的漂移运动。

在这种情况下，PN结中的电流就是少子的漂移电流。

宏观表现为外电路出现一个流入N区的反向电流I R。

因少子的浓度很小，故I R很小。

而且I R与反向电压的大小关系不大，表现为当反向电压增大时，I R基本上保持恒定。

所以又将I R叫做反向饱和电流。

·结论正向连接时，PN结的正向压降小，通过的正向电流大。

反向连接时，PN结两端的反向电压约等于外加电压，通过的反向电流极小。

在一般情况下，可按等于零处理。

所以，PN结具有只允许正向电流通过，不允许反向电流通过的特性，这就是PN结的单向导电性。

PN结的单向导电性还可以表述为正向电阻小，反向电阻大。

·反向饱和电流的温度特性T↑→少子浓度↑→I R↑温度升高12℃，硅材料PN结的I R增加近一倍；温度每升高8℃，锗材料PN结的I R增加近一倍。

工程上估算时常统一认为温度每升高10℃时增加一倍，即4. PN结电容*PN结上电压大小变化时，PN结内储存的电荷量也随之发生变化，这种电荷数量随外加电压而变的特点，说明PN结还具有一定的电容效应。

这种PN结电容包括两部分，即势垒电容和扩散电容。

势垒电容――PN结内空间电荷区的电荷数随外加电压的变化而变这一现象（空间电荷区又称为势垒区）。

当外加电压变化时，空间电荷区宽度及电荷量变化。

这种PN结上外加电压改变时，电荷量也随之发生变化的现象，与普通电容的充放电过程相似。

所不同的是势垒电容不是一个常数（非线性电容）。

扩散电容――多数载流子在扩散过程中的积累电荷量随外加正向电压而变。

PN结电容的大小与本身结构和工艺有关，一般为几PF～几百PF。

由于电容量较小，在低频工作时，PN结电容的影响可以忽略不计，但在工作频率较高的场合则必须选择结电容小的管子。

否则将失去单向导电性。

1.2半导体二极管一、半导体二极管概述常见的二极管的外形图分类：按材料来分，有锗二极管和硅二极管。

按功能来分，有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、发光二极管、开关二极管、光敏二极管、恒流二极管、变容二极管等等。

按结构来分，有点接触型和面接触型两类。

二、二极管的特性曲线1. 正向特性正偏时，二极管的正向压降小，电流较大，而且正向电压稍有增加，电流增大的很快，这是二极管的正向导通状态。

门坎电压：当正向电压超过某一数值后，正向电流才明显地增大。

这一数值通常称为“门坎电压”或“死区电压”，用U th表示。

硅材料二极管的U th约为0.5V。

而在这之前外加电场还不足以对空间电荷区的电场强度产生明显的抵消作用，因而此时的正向电流几乎为零，PN结呈现为一个大电阻，不能导电。

2. 反向特性反偏时，二极管处于反向截止状态。

反向饱和电流很小且基本上不随反向电压而变，表现为一条在横轴的下方与横轴近似平行的直线。

3. 反向击穿特性如果使反向电压继续增大，当超过U BR后，曲线突然向下弯曲，反向电流急剧变大，这种现象称为击穿，U BR叫做反向击穿电压。

这种PN结的击穿，包括雪崩击穿和齐纳击穿。

这类击穿会导致反向电流猛增，PN结消耗功率过大，使PN结因温度升高而烧毁。

所以，除了专门制造的供稳压用的稳压二极管外，要严格注意可能出现在PN结两端的最大反向电压不能超过产品技术手册中给出的最高反向工作电压。

·二极管的伏安特性可近似表达为：其中i D是通过二极管的电流，u D是二极管两端的外加电压，I S是二极管的反向饱和电流，U T是温度的电压当量，, k是波耳兹曼常数（1.38×10－23J/K），q为一个电子的电荷量（1.6×10-19C），T为热力学温度，在T＝300K时，。

因二极管正向电压在0.6V～0.8V之间，满足U D》U T，则，指数关系。

反偏时，即u D<0且》，则i D≈－I S。

四、二极管电路的分析方法与应用1.二极管电路的图解分析法·线性元件和非线性器件的电阻线性电阻的阻值不会随外加电压电流而变，体现在伏安特性曲线上就是一条直线，其斜率的倒数即为阻值。

二极管的伏安特性曲线说明它两端的电压与流过的电流之比不是一个常数，随着电流的变化，它的等效电阻是变化的。

·非线性器件的直流电阻和交流电阻（也称为静态电阻和动态电阻）直流电阻的定义是：交流电阻的定义为：在实际分析计算中，常用有限小量△u、△i替代无限小量du、di，所以交流电阻可以近似表示为：图1-2-4（a）所示二极管的特性曲线是一条曲线，在曲线上I1、I2对应的两点处，直流电阻并不相等。

而且各点处的交流电阻也不相等。

这就说明了二极管具有非线性特性。

含有非线性器件的电路属于非线性电路，对非线性电路进行分析时，不能沿用线性电路的分析方法。

二极管电路的图解分析法见【例1-2-1】区分线性、非线性部分――联立求解――找交点2.二极管电路的估算分析法估算法是根据二极管的特点，对电路进行合理的近似计算。

特点是简便迅速。

是工程实践中经常采用的方法。

在近似计算中，可将U D看成一个不变的常量，典型值为0.7V（硅管）或0.2V（锗管）；在参与运算的外加电压远大于U D的情况下，还可将U D的影响忽略不计，按理想二极管进行计算。