【正文】 一 受主電離 多數(shù)載流子一一空穴 少數(shù)載流子一一自由電子 但半導(dǎo)體仍保持電中性 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 空位 受主原子 圖 P 型半導(dǎo)體空間晶格結(jié)構(gòu)的平面示意 而自由電子的濃度 np 為 環(huán)境溫度也明顯影響 np 的取值 。 Ap Np ?A2ip2ip Nnpnn ??空穴濃度 摻雜濃庹 ? 17 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 17 本征半導(dǎo)體載流子受溫度、光照影響大； 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子主要受摻雜濃度控制； ? 18 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 18 漂移電流和擴(kuò)散電流 半導(dǎo)體中載流子進(jìn)行定向運動 ， 就會形成半導(dǎo)體中的電流 。 半導(dǎo)體電流 半導(dǎo)體電流 漂移電流 ： 在電場的作用下，自由電子會逆著電場方向漂移，而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流， 該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場強(qiáng)度。 擴(kuò)散電流： 半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而形成擴(kuò)散電流， 該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。 Pn III ??? 19 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 19 PN 結(jié) 通過摻雜工藝 ， 把本征半導(dǎo)體的一邊做成 P 型半導(dǎo)體 ， 另一邊做成 N 型半導(dǎo)體 ， 則 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體的交接面處會形成一個有特殊物理性質(zhì)的薄層 ， 稱為 PN 結(jié) 。 PN 結(jié)的形成 ? ? ? + + + ? + P 區(qū) N 區(qū) ( a ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + + + + + + + + + + + + ? ? ? ? + + + + P 區(qū) N 區(qū) ( b ) 空間電荷區(qū) 內(nèi)建電場 0 UB UB ? ? 圖 PN 結(jié)的形成 ( a ) 多子的擴(kuò)散； ( b ) 空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生 ? ? ? + + + ? + ? ? ? + + + ? + ? ? ? + + + ? + 多子擴(kuò)散 空間電荷區(qū) ， 內(nèi)建電場和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生 少子漂移 動態(tài)平衡 ? 20 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 20 空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或勢壘區(qū) 。 在摻雜濃度不對稱的 PN 結(jié)中 ， 耗盡區(qū)在重?fù)诫s一邊延伸較小 ， 而在輕摻雜一邊延伸較大 。 耗盡區(qū) 耗盡區(qū) ? ? ? ? + + + + + + + + + + + + + + + + ( a ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ( b ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + + + + + + + + + + + + ? ? ? ? + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P?區(qū) N 區(qū) P 區(qū) N?區(qū) 圖 .2 摻雜濃度不對稱的 PN 結(jié) ( a ) P+N 結(jié)； ( b ) P N+ 結(jié) ? 21 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 21 PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + + + + + + + + + + + + ? ? ? ? + + + + P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) 0 UB ? U UB ? ? E R ? ? U 內(nèi)建電場 外加電場 正向電流 圖 正向偏置的 PN 結(jié) 一 、 正 向偏置的 PN 結(jié) 正向偏置 耗盡區(qū)變窄 擴(kuò)散運動加強(qiáng) ，漂移運動減弱 正向電流 二 、 反 向偏置的 PN 結(jié) P 區(qū) 耗盡區(qū) 0 UB ? U UB ? E R U 內(nèi)建電場 外加電場 N 區(qū) 反向電流 ? ? ? 圖 反向偏置的 PN 結(jié) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + + + + + + + + + + + + ? ? ? ? + + + + 反向偏置 耗盡區(qū)變寬 擴(kuò)散運動減弱 ，漂移運動加強(qiáng) 反向電流 ? 22 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 22 PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕?PN 結(jié)只需要較小的正向電壓，就可以使耗盡區(qū)變得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，而且正向電流隨正向電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變。而在反偏時，少子只能提供很小的漂移電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。 ? 23 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 23 PN結(jié)電流方程 i=IS(equ/kT1)= IS(eu/UT1) q : 電子電荷量 ， *1019 C T : 熱力學(xué)溫度 (K)。 K : 玻爾茲曼常數(shù)（ *106V/K） 。 IS : 反向飽和電流，與 PN結(jié)材料、制作工藝、溫度等有關(guān) UT=kT/q : 溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。在 T=300K(27℃ )時， UT =26mV 正 : U UT , e u/UT 1 , i≈ISe u/UT 反 : U UT , e u/UT 1 , i≈IS u i 0 － UBR ? ? ? ?? ?1/e x p/e x p2 ??? ?? n k TqVkTqTAAI b?? ?kTqTAAI b /e x p20 ??? ?? PN 結(jié)的擊穿特性 當(dāng) PN 結(jié)上的反向電壓足夠大時，其中的反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為 PN 結(jié)的擊穿。 PN 結(jié)擊穿時，只要限制反向電流不要過大，就可以保護(hù) PN 結(jié)不受損壞。 u i 0 － UBR 1 輕摻雜 , 外加反向電壓 耗盡區(qū)較寬 少子漂移被加速 ， 動能增大 碰撞 電子 、 空穴對 ( UBR7V ) 2 重?fù)诫s ， 外加反向電壓 耗盡區(qū)很窄 強(qiáng)電場 耗盡區(qū)中性原子的價電子直接拉出共價鍵 ， 產(chǎn)生大量電子 、 空穴對 ， 使反向電流急劇增大 。 (UBR 5V) UBR介于 5~7V時，兩種擊穿都有。 可逆性： P=UI PMAX 串限流電阻 穩(wěn)壓二極管 ? 25 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 25 PN 結(jié)的電容特性 PN 結(jié)能夠存貯電荷，而且電荷的變化與外加電壓的變化有關(guān)，這說明 PN 結(jié)具有電容效應(yīng)。 一、勢壘電容 P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) ? ? | u| P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) ? ? | u| ↑ ( a ) ( b ) 圖 耗盡區(qū)中存貯電荷的情況 ( a ) u 增大時存貯電荷減少； ( b ) u 減小時存貯電荷增加 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + + + + + + + + + + + + ? ? ? ? + + + + ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + + + + + + + + + + + + ? ? ? ? + + + + dSUuCuQCn?????????? ?????B0TT1CT0為 u = 0 時的 CT，與 PN 結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等因素有關(guān)； UB為內(nèi)建電位差； n 為變?nèi)葜笖?shù)，取值一般在 1 / 3 ~ 6 之間。 當(dāng)反向電壓 u 絕對值增大時， CT 將減小 。 ? 26 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 26 二、擴(kuò)散電容 P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) ? ? u P 區(qū) N 區(qū) 耗盡區(qū) ? ? u ? ? u 0 0 n p0 p n0 p n ? ? n n n p ? ? p p ? Q n ? Q p uuQC???????? pnD PN 結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴(kuò)散電容之和 ， 即 Cj = CT + CD。 CT 和 CD 都隨外加電壓的變化而改變 ， 所以都是非線性電容 。 當(dāng) PN 結(jié)正偏時 ， CD 遠(yuǎn)大于 CT ， 即 Cj ? CD ；反偏的 PN 結(jié)中 ， CT 遠(yuǎn)大于 CD， 則 Cj ? CT 。 ? 27 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 27 晶體二極管 PN結(jié)＋電極引線＋封裝 二極管 P N 正極 負(fù)極 結(jié)構(gòu)示意圖 電路符號 負(fù)極 正極 新： 舊： 負(fù)極 正極 分類： 材料：硅 /鍺 ； 結(jié)構(gòu)：點接觸 /面接觸 功能： 普通二極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管等 2:二極管 2AP 2CZ… . A: N型鍺材料； B:P型鍺材料； C: N型硅材料 。 D:P型硅材料 P:普通管； W:穩(wěn)壓 。 Z:整流 (1N4001) ； K:開關(guān) (1N4148) GaAsAlGaAs 諧振腔發(fā)光二極管 Ge二極管 Si二極管 ? 28 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 28