第7章半导体器件基础

1. 由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;
2. 内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;
3. 当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成 PN结。
二、PN结的单向导电性 1、外加正向电压
P区接电源正极，N区接电源负极，又称正向偏置。
U
外电场
内电场
U
外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，当外电压增 加到一定值后，正向电流明显增加（P→N），PN结呈现 的电阻很小。形成较大的扩散电流，PN结导通。
第七章 半导体器件基础
内容提要
半导体器件是电子电路的核心器件。本章首先介绍 了半导体的基本知识，然后讲述了两种常用半导体 器件（半导体二极管和半导体三极管）的工作原理 和基本特性。本着“管为路用”的原则，在了解其 基本原理的基础上，重点掌握它们的应用。
7.1 半导体的基础知识
导体：金属一般都是导体。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管等）。
二、 本征半导体 纯净的半导体称为本征半导体。
1、内部结构
◆+4价元素，最外层轨道四 个价电子。共价键形式存 在。
◆T=-2730C(绝对零度)
相当于绝缘体
2、导电机理
T升高，共价键中的价电子由于热运动而获得 一定的能量，少数摆脱共价键的束缚成为自 由电子，即电子载流子（带负电），同时在 共价键中留下空位，称为空穴载流子，这种 现象称为本征激发。
掺入的磷越多自由电子 越多，所以N型半导体中 电子为多数载流子（“多 子”），空穴为少数载流 子（“少子”）。磷被称 为“施主”杂质。整个半 导体中的正负电荷数相等， 呈现电中性 。
电子---多子； 空穴---少子。
2、P型半导体
在纯净的硅晶体中 掺入三价元素（如 硼），就形成了P型 半导体。
掺入的硼越多空穴数目越 多，所以P型半导体中空 穴为多数载流子，电子为 少数载流子。硼被称为 “受主”杂质。整个半导 体中的正负电荷数也是相 等的，半导体仍呈现电中
物体 绝缘体（电介质）：如橡胶、塑料和陶瓷等。
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。
7.1.1 半导体的导电特性
一、半导体的主要特征
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。
即：空穴 自由电子 成对出现
+
-
-
电 子 空 空穴 穴 对 的 形 成
自由电子
半导体中有两种载流子:自由电子和空穴
+
-
+
-
外 电
+ +
-
场+
-
+
-
+源自文库
-
+
-
在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
+
-
+
-
外+
-
电+ 场+
-
+
-
+
-
+
-
在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
注意：
在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成 电子电流；价电子也按一定方向依次填补空穴，即 空穴产生了定向移动，形成所谓空穴电流。自由电 子和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失， 这种现象称为复合。 可见：半导体：自由电子和空穴两种载流子
2、外加反向电压
U
外电场和内电场共同作用，使耗尽层变宽，阻碍了多子的扩散运动， 而加强了少子的漂移运动，通过PN结的电流（反向电流）由少子的 漂移运动决定 。少子浓度很低，反向电流很小。当反向电压增大时， 反向电流几乎不随外加电压的增大而增大。PN结截止。
综上所述，PN结正偏时导通，呈现很小 的电阻，形成较大的正向电流；反偏时截止， 呈现很大的电阻，反向电流近似为零。PN 结具有单向导电特性。
PN结除具有单向导电性以外，还具有 击穿特性、电容特性、温度特性。
7.2 半导体二极管
7.2.1 基本结构(PN结+两个电极+管壳)
1、 内部结构
核心部分
2、图形符号
VD VS
3、分类 硅管
按材料 锗管
按PN结的结构
点接触型 面接触型
7.2.2 伏安特性
特点：非线性
反
向
击
穿 电
－U(BR)
压
C
D
iV / mA 锗
硅
15
B''
B
10
－30 C'’ D'
5
IR
O A'
A
0.2 0.4 0.6 0.8
－5
(A)
uV / V
死 区 电 压
(1). 加正向电压小，电流极小（几乎为零），这一部
分称为死区（死区/门槛/阈值电压)，OA(OA′) 硅管：0.5V，锗管：0.1V。
正向电压>死区电压，正向电流急剧增大，二极 管导通。二极管的正向导通压降UVD (on) ： 硅管：0.6~0.8V，锗管：0.1~0.3V 通常：硅管：UVD (on)=0.7V，锗管：UVD (on)= 0.3V。
空穴---多子； 电子---少子。
注意
杂质半导体中，多子的浓度取决于掺杂原子的浓度； 少子的浓度取决于温度。
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。
4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
（a. 电子电流、b.空穴电流）
7.1.2 PN结
通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形 成P型半导体，另一边形成N型半导体，两种 半导体的交界处就形成PN结。
P区
N区
一、PN结的形成
P区
N区
在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 现多子的扩散运动。
(N区中多子电子向P区扩散并与P区中的空穴复合而消失； P区中的多子空穴扩散到N区，与N区中的自由电子复合而消失)
耗尽层
空间电荷区
P区
N区
内电场
在交界面，由于多子的扩散运动,经过复合, 出现了由不能移动的杂质离子构成的空间电 荷区，建立了内电场
P区
PN结
N区
内电场（N区指向P区）
当多子的扩散与少子的漂移达到动态平衡 （扩散电流等于漂移电流），形成PN结。
导体：只有自由电子这一种载流子
电子电流和空穴电流相等，并且它们之和为总的导电 电流。
1.本征半导体中载流子为电子和空穴;
2.电子和空穴成对出现，浓度相等； 3.由于热激发可产生电子和空穴，因此本征半导 体的导电特性和温度有关，对温度很敏感。
三、 杂质半导体
1、N型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入五价元素 （如磷），就形成 了N型半导体。