第1章-常用半导体器件-XXF

能带的概念
• 每个能带中能容纳的电子数量是有限的。 • 打个比方：每个家庭相当于一个原子，你 们是外层电子，每个教室相当于一个能带 • 学生的安排是：一个教室坐满后才能安排 到下一个教室 • 学生的移动：只能在座位间跳跃，不存在 座位间的空间——有空座位才能跳 • 回到能带——下层能带填满后才能填充上 层能带
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓 度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等 效电容称为扩散电容Cd。
相对于平衡状态的 额外的电荷存在于 边界（极板）
总的结电容：C j Cb Cd 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！
• 空穴是带一个电子电荷的正电粒子，但其 本质上电子的集体运动。
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
• 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为 半导体。
• 半导体——硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素， 它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导 体与绝缘体之间。 • 本征半导体是纯净的单晶体结构的半导体。
• 对二极管、三极管，两种载流子都对电性能起作 用，但少子的分布和扩散电流是决定性能的关键 因素
2. P型半导体
多数载流子
3
P型半导体主要靠空穴导 电，掺入杂质越多，空穴 浓度越高，导电性越强。
在杂质半导体中，温度变 化时，载流子的数目变化 吗？少子与多子变化的数 目相同吗？少子与多子浓 度的变化相同吗？
PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散 运动，形成漂移电流。由 于电流很小，故可近似认 为其截止。
四、PN 结的电容效应
1. 势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容Cb。
电容储存的电荷量随耗尽区宽度变化，而耗尽区宽度 随外加偏压变化，因此这是一个可用电压控制容量的 电容
从理想到实际的二极管
UR
从理想到实际的二极管
rD
U on
V UD I R rD
从理想到实际的二极管
U D U T rD I D ID
其中UT
kT 26mV，（T = 300K） q
V UD I R rD
rD随着二极管电流变化！
rD
U on
Q
ID
实测特性 uD=V－iR
I I s [exp(
kT
) 1] I s
反向电压下的载流子分布
注意： 1、此时内电场的 漂移电流对少子相 当于电荷泵，将其 抽向另一侧的多子 能带 2、若此时有“额 外的”少子被送到 耗尽区边缘，将会 怎样？
PN结的I-V曲线
PN 结的单向导电性
必要吗？
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运 动加剧，由于外电源的 作用，形成扩散电流， PN结处于导通状态。
因电场作用所 产生的运动称为 漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡，就形成了PN结。
PN结载流子分布
• 由于P区和N区电子和空穴浓度的不同，电 子和空穴受到扩散的驱动； • 这种驱动的后果是界面附近空间电荷区（也 称耗尽区）的出现； • 界面两侧空间电荷区内电荷产生内电场E和 内建电势Vbi，这个电场也会驱使电子和空穴 的移动； • 无外加电压时PN结空间电荷区无电流，此 时扩散驱动力和内电场的驱动力处处相等
原子内部电子排列：1s→2s→2p→……
能带中电子的运动
• 若能带部分地被电子填充（必然是最高的 能带），则电子有很大的腾挪空间——可 以自由的跳跃——成为载流子——金属 • 如顶层能带被填满，电子因为全同性，即 使有运动也看不出来——半导体和绝缘体 • 半导体中载流 子从何而来？
价带与导带，半导体与绝缘体
平面型：结面积可 小、可大，小的工 作频率高，大的结 允许的电流大。
从理想到实际的二极管
从理想到实际的二极管
U on
对硅管UD =Uon≈0.7V； 对锗管UD = Uon≈0.2V； Uon随温度变化，温度越高越小 温度每升高1℃，正向压降降低 约2~2.5mV
从理想到实际的二极管
IR
IR（IS）也随温度变化，温度越高越大 温度每升高10℃，反向电流大一倍
I I s [exp(
kT
) 1]
正向偏压下的载流子分布
值得注意的是： 1、耗尽区边缘的 少子浓度远高于平 衡浓度，这额外的 少子来源于另一侧 多子的扩散注入。
思考：耗尽区外非平衡少 子是如何减小的？
2、在大的注入下， 少子浓度可能会达 到甚至超过平衡多 子浓度的水平!
反向电压（P区电势低于N区）
• 导体——铁、铝、铜等金属元素等低 价元素，其最外层电子在外电场作用 下很容易产生定向移动，形成电流。 • 绝缘体——惰性气体、橡胶等，其原 子的最外层电子受原子核的束缚力很 强，只有在外电场强到一定程度时才 可能导电。
电流与载流子运动
• 电流：载流子的定向移动。 • 移动原因：电场对载流子的驱动或载流子 的浓度扩散
• 电子运动——需要能量，按照电子的能量将材料 中的电子进行划分： • 对大量相同的原子或离子构 成的晶体材料，因为电子是 全同的（不可分辨的），需 从整体的角度来描述晶体中电子的分布和运动。 • 材料中电子的能量不是连续分布的，而是分为能 级，相差非常小的能级构成能带。 • 外场电子可在不同位置的原子间跳跃，无法区分
ni pi 1.431010 cm3
• ni对温度非常敏感，400K时Si的ni约为1013cm-3。
掺杂的半导体
• （能带图像）杂质在半导体能带中引入距Ec或Ev 很近的杂质能级 • N型掺杂：杂质的满带靠近半导体的导带，室温 下可认为杂质能级电子全部进入导带成为载流子 n ND ，因此
掺杂半导体（续）
• P型掺杂：杂质的导带靠近半导体的价带，可以认为室温 下杂质导带被价带电子填满，因此价带空穴浓度为 p NA • 打个比方：
– 教室只有最后一排（N型杂质的满带）挤满同学，如果前面都空 着（半导体的导带），那最终的结果是：最后一排没有同学，全 跑到前面去了（成为导带电子） – 如果教室第一排（P型杂质的空带）空着，后面都挤满了人（半
无杂质 稳定的结构
本征半导体中的载流子浓度
• 电子从价带跃迁到导带产生的载流子称为本征载 流子，其受以下因素影响：
– 温度T、 禁带宽度Eg – 导带中空能级密度Nc和价带中电子密度Nv
• 导带电子也会回到价带与空穴复合，并释放能量 • 电子向导带的跃迁和回到价带的复合是时刻发生 的，处于动态平衡。 3 Eg 0 2 • 本征载流子密度： ni pi K1T exp( 2kT ) • 本征半导体的载流子浓度是很低的，室温下Si的
思考题
• 为什么将自然界导电性能中等的半导体材 料制成本征半导体，导电性能极差，又将 其掺杂，改善导电性能？ • 为什么半导体器件的温度稳定性差？ 是多子还是少子是影响温度稳定性的主要
因素？
• 为什么半导体器件有最高工作频率？
§2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
• 加反向偏压后，耗尽区总的电压降增加（Vbi+V），电场E 变大，耗尽区变宽，反向偏压越大，耗尽区越宽 • 因耗尽区外无电压，只需考虑少子的浓度梯度产生少子扩 散电流 • 内电场产生的漂移电流的作用是将P区电子(少子)抽向N区 ，将N区空穴(少子)抽向P区，导致耗尽区边缘处少子浓度 会远低于平衡少子浓度 • 因为耗尽区边缘少子浓度非常小，所以反向电流也很小 • 可以得到反向偏压下PN结的电流形式上与正向相同。 • 因为V<0，因此 qV
硼（B）
三、PN结的形成及其单向导电性
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场（空间电荷区）。
PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动
UD
若希望得到更精确的二 极管电流和电压怎么办？
从理想到实际的二极管
IF
一般饱和前电路就已 损坏！
I (nevd ，对 一维则是dn/dx Vd则与电场大小和 材料有关，电场不 大时Vd=μnE 电场力驱动下载流子的电流
载流子浓度相关因素
• 铁、铝、铜等金属元素，对外层电子的束缚力小，这些外层电子容易成 为自由电子，提供了n，因此n很大。 • 一些非金属单质（如金刚石）或化合物（如氧化铝）非常稳定，电子很 难成为自由电子，所以n很小。 • 还有一些材料（包括单质和化合物），电子获得自由的能力介于两者之 间，称为半导体。
导体的价带），那么最终结果会是第一排都做满了，后面会出现
空位（价带空穴）
掺杂的半导体（续）
• 需注意此时本征激发依然存在，但因为额外的载 流子来源，使得复合与本征激发的比例发生变化 2 ，但此时依然有： np ni pi ni
• N型半导体中 nn0 pn0 ，空穴称为少子 • P型半导体中 np 0 p p 0 ，电子称为少子
• 能带间电子的跃迁发生在能量最高的满带 （称为价带Ev）和能量最底的空带（称为 导带Ec）之间。 • 导带与价带的距离称为带隙宽度Eg（温度 为0K时的带隙宽度称为Eg0）。 • 电子从价带跃迁到导带的能量主要来源于 热运动能量。因此 硅：Eg0=1.21eV
室温下Si：Eg=1.12eV – 温度越高，电子越容易跃迁 锗：Eg0=0.785eV – 带隙宽度越小，电子越容易跃迁 GaAs：Eg0=1.424eV