【学习课件】第5章半导体器件基础

P区
N区
白色扩散的运点动代=漂表移空运穴动，时 红色达到的动点态代平表衡电子
PN结无电流流过
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即载促流进子了从扩漂浓散移度运运大动动向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流
空 也间 叫内电耗电荷尽场区层
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PN结的形成 交界处的浓度差
此外，还有压力敏感、磁敏等，是制作各种传感器的重要材 料。
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5.1.2 本征半导体
1. 半导体的原子结构
最常用的元素半导体是硅和锗，它们在化学元素周期表 上都是第IV族元素，即最外层只有四个价电子。
半导体的原子结构:
硅(Si)
锗(Ge)
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5.1.2 本征半导体
1. 半导体的原子结构
由于三价元素的核外只有三 个价电子，因而一个掺杂元 素将形成一个空穴。
杂质原子提供
由本征激发形成
空穴是多数载流子
自由电子是少数载流子
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5.1.4 PN结
1. PN结
通过特殊的工艺，在一块半导体晶片上分别生成P型掺杂区和 N型掺杂区，则两个区域的交界处处就形成了一个具有特殊导 电性能的带电薄层，这就是PN结 。
1. PN结正偏时 伏安特性
iD/m A
低电阻
1.0
大的正向扩散电流
0.5
– 1.0
– 0.5
0
0.5
PN结正偏的伏安特性
1.0 D/V
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2. PN结的单向导电性
2. PN结反偏时 伏安特性
高电阻 很小的反向漂移电流
iDD/mm AA 1.0
– – 1.0
0.5 iD=– IS
– – 0.5
0
0. 5
PN结反偏的伏安特性
1.0 D/VV
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子
形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电
流也称为反向饱和电流。
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3. PN结的击穿特性
反向击穿 PN结上反向电压达到某一数值，反向电流
激增的现象。
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本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，二者 数量相等。
本征半导体中的电流等于自由电子电流和空穴电流之和。 复合：自由电子在运动过程中，如果与空穴相遇，就会填 补空穴，使自由电子和空穴成对消失。
在本征半导体中自由电子的浓度和空穴的浓度相等，且 在材料一定的情况下载流子的浓度随温度升高而增大。
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• 势垒电容 势垒区的宽度及空间电荷数量随外加电压的变 化而变化，这种现象等效的电容叫势垒电容。
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4. PN结的电容效应
• 扩散电容
非平衡少子的浓度及浓度梯度都随外加正偏电 压的变化而变化，这种现象等效的电容叫扩散 电容。
PN结的结电容是势垒电容和扩散电容之和。当PN结反 偏时，势垒电容起主要作用，而PN结正偏时，扩散电容起 主要作用。
3. PN结的击穿特性
• 雪崩击穿
击穿可逆。 掺杂浓度小的 二极管容易发生
低掺杂时, PN结较宽. 当少子漂移通过PN结时,由于PN 结反向电压增高，少子获得能量高速运动，在空间电荷 区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象 雪崩一样,使反向电流激增。
• 齐纳击穿
当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出 来，形成大量载流子,使反向电流激增。
本征半导体中，共
价键对价电子的束缚力 非能常够强参，与热导力电学的温带度电为 零粒度子（统T称=为0K载）流且子无其 他外界激发的情况下， 半导体不能导电。
半流空当他导子穴温外体，。度界中即升因存自高素在由或的两电受激种子到发载和其时
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3.本征激发与复合
本征激发：半导体由于热激发产生自由电子空穴对的现象。
将天然的硅和锗提纯可 形成单晶半导体，在单晶半 导体中，原子在空间排列成 有规则的空间点阵。
以硅原子为例：每个硅原 子最外层的4个价电子分别和 周围4个硅原子的价电子形成 共用电子对，构成共价键结构。
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2. 本征半导体
完全纯净的、无任何结构缺陷的单晶半导体称为本征半导体。
共价键内的价电子 挣脱原子核束缚的 价带中电留子下成的为空自位由电子 称为空穴
不可逆击穿 — 热击穿
PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功 率超过极限值，使结温升高，导致PN结过 热而烧毁。
击穿可逆。 掺杂浓度大的 二极管容易发生
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4. PN结的电容效应
当外加电压发生变化时，PN结耗尽层内的空间电荷以及耗 尽层外的载流子数量都会随之而变，这种电荷随外加电压变化 而变化的现象称为PN结的电容效应。
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5.1 半导体基础知识
5.1.1 本征半导体
半导体是指导电性介于良导电体与绝缘体之间的一种材料， 常用的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓（GaAs）等。
半导体是制造电子器件的主要材料，在于它具有如下性质：
• 热敏性：导电性能受温度影响很大，可制成热敏电子元件； • 光敏性：导电性能受光照射强度的影响很大，可制成光敏电 子元件； • 杂敏性：通过掺入其他微量元素物质，可以非常显著地提高 其导电性能。
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5.1.3 杂质半导体
1、 N型半导体：
在本征半导体中掺入+5价 元素，如掺磷（P）。
由于五价元素的核外电子中 有一个电子不受共价键束缚， 所以很容易成为自由电子
杂质原子提供 自由电子是多数载流子
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由热激发形成
空穴是少数载流子
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2、 P型半导体：
在本征半导体中掺入+3价 元素，如掺硼（B）。
当PN结上施加高频信号时， PN结的单向导电性将遭到破坏。
P区留下带负 电的受主离子
N区留下带正 电的施主离子
PN结基本原理
扩散
P区的一些空 穴向N区扩散
N区的一些电 子向P区扩散
扩散电流
内建电场
漂移电流 动态平衡
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PN 结
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2. PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位， 称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电 压，简称反偏。
第5章 半导体器件基础
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本章要点
• 本征半导体和掺杂半导体
• pn结及其单向导电性 • 二极管及其特性 • 含二极管的电路分析 • 三极管及其特性 • 含三级管的电路分析
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章节内容
5.1 半导体基础知识 5.2 半导体二极管 5.3 半导体三极管 5.4 场效应管(略） 5.5 Multisim二极管应用电路分析（略）