【正文】 第 一 章 半 導(dǎo) 體 器 件 與 模 型 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 本征半導(dǎo)體 半導(dǎo)體具有某些特殊性質(zhì)： 光敏熱敏、摻雜特性 導(dǎo)體 ： 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為 導(dǎo)體 ，金屬一般都是導(dǎo)體。 絕緣體 ： 有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為 絕緣體 ，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 半導(dǎo)體 ： 另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為 半導(dǎo)體 ，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與模型 Ge Si 通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成 晶體 。 現(xiàn)代電子學(xué)中，用得最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。 ＋ 4 除去價(jià)電子后的原子 價(jià)電子 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 本征半導(dǎo)體： 完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。 硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu) 硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 共價(jià)鍵 共用 電子對(duì) +4 +4 +4 +4 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為 束縛電子 ，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵。 形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。 +4 +4 +4 +4 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理 可將空穴看成帶正電荷的載流子 本征半導(dǎo)體中有兩種載流子 ：帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴 熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對(duì)消失，稱為 復(fù)合 。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。 +4 +4 +4 +4 自由電子 空穴 溫度增加將使價(jià)電子獲得能量，掙脫共價(jià)鍵束縛成為 自由電子 ，同時(shí)在原位留下 空穴 。 本征激發(fā)（熱激發(fā)） 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 本征半導(dǎo)體中載流子濃度 溫度一定時(shí)，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)載流子濃度為一熱平衡值，溫度升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)目將增加，但同時(shí)復(fù)合作用也增加，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合將在新的更大濃度值的基礎(chǔ)上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 本征激發(fā)中有 002 pnn i ??：空穴濃度：自由電子濃度 00 Pn平衡濃度值：本征半導(dǎo)體載流子熱in武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 kTgEeTAni 20230?據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，有 玻耳茲曼常數(shù)時(shí)的禁帶寬度熱力學(xué)溫度與材料相關(guān)的系數(shù): 0:: :00KTETAg ?本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，可通過(guò) 摻雜 來(lái)進(jìn)行改善 溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 1. 半導(dǎo)體中兩種載流子 帶負(fù)電的 自由電子 帶正電的 空穴 2. 本征半導(dǎo)體中 ， 自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn) ， 稱為 電子 空穴對(duì) 。 4. 由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng) ， 自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又 不斷的復(fù)合 。 在一定的溫度下 ， 產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng) 會(huì)達(dá)到平衡 ， 載流子的濃度就一定了 。 5. 載流子的濃度與溫度密切相關(guān) ， 它隨著溫度的升 高 ， 基本按指數(shù)規(guī)律增加 。 小 結(jié) 3. 本征半導(dǎo)體中 自由電子和空穴的濃度 用 ni 和 pi 表示，顯然 ni = pi 。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為 雜質(zhì)半導(dǎo)體 。 P型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子 （ 多子 ） ， 主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子 （ 少子 ） ， 由熱激發(fā)形成 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為 負(fù)離子 。三價(jià)雜質(zhì)稱為 受主雜質(zhì) 本征半導(dǎo)體中摻入 三價(jià) 雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成 P型半導(dǎo)體 (或空穴型半導(dǎo)體 ) +4 +4 +4 +3 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 在本征半導(dǎo)體中摻入 五價(jià) 雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導(dǎo)體 （電子型半導(dǎo)體）。 在 N型半導(dǎo)體中 自由電子是多子 ,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少子 , 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為 正離子 ，五價(jià)雜質(zhì)原子被稱為 施主雜質(zhì) N型半導(dǎo)體 +5 +4 +4 +4 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度 。 3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。 4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。 2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體 載流子的數(shù)目 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體 ， 因而其導(dǎo)電能力大大改善 。 N 型半導(dǎo)體 P 型半導(dǎo)體 說(shuō)明： 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 半導(dǎo)體中的電流 漂移電流 外加電場(chǎng)時(shí)，載流子在電場(chǎng)力的作用下形成定向運(yùn)動(dòng)，稱為漂移運(yùn)動(dòng)，并由此產(chǎn)生電流，稱為 漂移電流 。 漂移電流為兩種載流子漂移電流之和，方向與外電場(chǎng)一致。 擴(kuò)散電流 當(dāng)半導(dǎo)體有光照或者載流子注入時(shí)，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)載流子的濃度差，載流子將由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種定向運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，由此形成的電流稱為 擴(kuò)散電流 。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 PN結(jié) PN結(jié)的形成 將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成 P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成 N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層 → PN結(jié) 。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 內(nèi)電場(chǎng) 多子擴(kuò)散 形成空間電荷區(qū) 產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng) 阻止 少子漂移 促使 擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 形成一定寬度的 PN結(jié) 電位 耗盡層 阻擋層 勢(shì)壘區(qū) 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 PN結(jié)的導(dǎo)電特性 正向特性 PN結(jié)外加直流電壓 VF： P區(qū)接高電位（正電位），N區(qū)接低電位（負(fù)電位） 內(nèi)電場(chǎng) 外電場(chǎng) 變薄 － － － － + + + + P N + _ FV內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的擴(kuò)散電流。 →正偏 →正向電流 FI正偏時(shí)， PN結(jié)呈現(xiàn)為一個(gè)小電阻。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 反向特性 ＊ 硅 PN結(jié)的 Is為 pA級(jí) ＊ 溫度 T增加 → Is增大 內(nèi)電場(chǎng) 外電場(chǎng) PN結(jié)反偏： P區(qū)接低電位（負(fù)電位）， N區(qū)接高電位（正電位）。 N P + － + 變厚 _ － － － + + + － + － － － + + + RVRI內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小電流 反偏時(shí)， PN結(jié)呈現(xiàn)為一個(gè)大電阻。 →反偏 →反向電流 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 結(jié)論 PN結(jié)正向偏置 空間電荷區(qū)變窄 正向電阻很?。ɡ? 想時(shí)為 0） 正向電流較大 PN結(jié)導(dǎo)通 PN結(jié)反向偏置 空間電荷區(qū)變寬 想時(shí)為 ∞） 反向電流（反向飽和電流）極?。ɡ硐霑r(shí)為 0） PN結(jié)截止 反向電阻很大（理 單向?qū)щ娦? PN結(jié)正向偏置時(shí)導(dǎo)通，反向偏置時(shí)截止 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 正偏 反偏 PN結(jié)的正向伏安特性 PN結(jié)所加端電壓 vD與流過(guò)它的電流 I的 關(guān)系為： )1( / ??TD VvsD eIimVKTqkTVvITDs26300:/: :時(shí)，為外加端電壓反向飽和電流??一般而言，要產(chǎn)生正向電流時(shí)，外加電壓遠(yuǎn)大于 VT，正向電流遠(yuǎn)大于 Is，則可得 ?????sDVvsDIiPNeIiPN TD－結(jié)反偏結(jié)正偏 /Is非常小，常忽略不計(jì)。 門(mén)坎電壓 Vth 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 PN結(jié)的擊穿特性 二極管處于反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過(guò) PN結(jié)的電流很小，但電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為 反向擊穿 。擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓稱為擊穿電壓，計(jì)為 V(BR)。 擊穿形式分為兩種： 雪崩擊穿和齊納擊穿 。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 雪崩擊穿： 如果 摻雜濃度較低 ， PN結(jié)較厚實(shí)，當(dāng)反向電壓增高時(shí)，空間電荷區(qū)增厚，內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，使少子在其中獲得加速，從而把電子從共價(jià)鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)，載流子急劇增加，反向電流猛增，形成雪崩擊穿。 由于 PN結(jié)較厚，對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度要求高，所需反向電壓大。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 齊納擊穿： 高摻雜 情況下，阻擋層很窄，宜于形成強(qiáng)電場(chǎng)，而破壞共價(jià)鍵，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛形成電子－空穴對(duì)，致使電流急劇增加。 擊穿現(xiàn)象破壞了 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，我們?cè)谑褂脮r(shí)要避免。 *擊穿并不意味著 PN結(jié)燒壞。 可利用擊穿特性制成穩(wěn)壓二極管。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 擊穿電壓的溫度特性： 齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù) 擊穿電壓低于 6V的擊穿屬于齊納擊穿 擊穿電壓高于 6V的擊穿屬于雪崩擊穿 雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù) 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 PN結(jié)的溫度特性 T↑ →在電流不變情況下管壓降 Vth↓ →反向飽和電流 IS↑， V(BR) ↓ 硅 PN結(jié)穩(wěn)定性較鍺結(jié)好 溫度每升高 1度，反相飽和電流增加 1倍 – 50 i / mA u/ V – 25 5 10 15 – – 0 →正向特性左移，反向特性下移 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 PN結(jié)的電容特性 勢(shì)壘電容 CT： PN結(jié)上的 反偏 電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)相應(yīng)變化，結(jié)區(qū)中的正負(fù)離子數(shù)量也發(fā)生改變，即存在電荷的增減，這相當(dāng)于電容的充放電，PN結(jié)顯出電容效應(yīng)，稱為勢(shì)壘電容。 DTj CCC ??PN結(jié)的總電容： 擴(kuò)散電容 CD： 正偏 時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，多子從一個(gè)區(qū)進(jìn)入另一區(qū)后繼續(xù)擴(kuò)散，一部分復(fù)合掉了，這樣形成一定濃度分布，結(jié)的靠 P區(qū)一側(cè)集結(jié)了電子，另一側(cè)集結(jié)了空穴，即形成了電荷的積累，這種效應(yīng)用擴(kuò)散電容表示。 利用 PN結(jié)的電容特性，可以構(gòu)成變?nèi)荻O管 低頻使用時(shí)，可忽略結(jié)電容的影響。 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 二極管的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù) 二極管的結(jié)構(gòu) 平面型二極管 ：用于集成電路中。 面接觸型二極管 ： PN結(jié)面積大，允許通過(guò)較高較大電流，但結(jié)電容大，適于低頻工作。 點(diǎn)接觸型二極管 ： PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，工作頻率高，但不能承受較高反向電壓和較大電流。 引線 外殼線 觸絲線 基片 PN結(jié) P N 符號(hào) A陽(yáng)極 K陰極 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 二極管的 V－ I特性 V I 死區(qū)電壓 硅管,鍺管 。 導(dǎo)通壓降 : 硅管 ~,鍺管 ~。 反向擊穿電壓 VBR 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流 二極管的主要參數(shù) 1）最大整流電流 IFM 2）最高反向電壓 VRM 3）反向電流 IR 4）最高工作頻率 fM