【正文】 (11) 第二章 半導(dǎo)體器件 167。 半導(dǎo)體的基本知識 167。 PN 結(jié)及半導(dǎo)體二極管 167。 特殊二極管 167。 雙極型晶體管（半導(dǎo)體三極管） 167。 場效應(yīng)晶體管 167。 集成電路 (12) 167。 半導(dǎo)體的基本知識 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 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。 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。 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。 第二章 半導(dǎo)體器件 (13) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。比如： 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。（制作特殊器件） 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。（有可控性） P33 (14) 本征半導(dǎo)體 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。 Ge Si 通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成 晶體 。 一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 第二章 半導(dǎo)體器件 (15) 完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為 本征半導(dǎo)體 。 在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵 ，共用一對價(jià)電子。 硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu) 第二章 半導(dǎo)體器件 (16) 硅和鍺的共價(jià)鍵平面結(jié)構(gòu) 共價(jià)鍵共 用電子對 +4 +4 +4 +4 +4表示除去價(jià)電子后的原子 共價(jià)鍵 — 相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。 第二章 半導(dǎo)體器件 (17) 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)鍵成為 自由電子 。 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 第二章 半導(dǎo)體器件 (18) 二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 在絕對 0度（ T = 0K）和沒有外界激發(fā)時(shí) ,價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子 ,它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。 載流子 運(yùn)動(dòng)的帶電粒子稱為－ 載流子、自由電子和空穴 第二章 半導(dǎo)體器件 (19) +4 +4 +4 +4 自由電子 空穴 束縛電子 第二章 半導(dǎo)體器件 在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為 自由電子 。 空穴 。 同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為 它們是不是 載流子？ 是 ！ (110) +4 +4 +4 +4 在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。 所以本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即 自由電子 和 空穴 。 第二章 半導(dǎo)體器件 (111) ２ 、 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理描述 ? 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)。 ? 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。常溫下本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。 ? 本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 溫度 第二章 半導(dǎo)體器件 (112) 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。 N 型半導(dǎo)體 ： 使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。 P 型半導(dǎo)體 ：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體 ,也稱為（空穴半導(dǎo)體）。 第二章 半導(dǎo)體器件 (113) +4 +4 +5 +4 一、 N 型半導(dǎo)體 多余電子 磷原子 第二章 半導(dǎo)體器件 摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶 正電的離子 。 也稱 五價(jià)元素磷為施主原子。 (114) N 型半導(dǎo)體 N 型半導(dǎo)體中的載流子是： 由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。 本征半導(dǎo)體中是成對產(chǎn)生電子和空穴。 摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為 多數(shù)載流子（多子） ，空穴稱為 少數(shù)載流子（少子）。 第二章 半導(dǎo)體器件 (115) +4 +4 +3 +4 空穴 二、 P 型半導(dǎo)體 硼原子 第二章 半導(dǎo)體器件 摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），多產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子 。 (116) 雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法 P 型半導(dǎo)體 N 型半導(dǎo)體 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 第二章 半導(dǎo)體器件 (117) 167。 PN結(jié) 及半導(dǎo)體二極管 一 、 PN結(jié)的形成 在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了 PN結(jié)。 第二章 半導(dǎo)體器件 PN結(jié) (118) P 型半導(dǎo)體 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N 型半導(dǎo)體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場 E 漂移運(yùn)動(dòng) 空間電荷區(qū) PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng) 第二章 半導(dǎo)體器件 (119) 擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬 。 漂移運(yùn)動(dòng) P型半導(dǎo)體 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N型半導(dǎo)體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場 E PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄 。 第二章 半導(dǎo)體器件 (120) 漂移運(yùn)動(dòng) P型半導(dǎo)體 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N型半導(dǎo)體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場 E PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng) 所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。 第 二 章 半導(dǎo)體器件 (121) PN結(jié)的形成： 多子擴(kuò)散 擴(kuò)散 飄移 動(dòng)態(tài)平衡 穩(wěn)定的 PN結(jié)。 生成 產(chǎn)生 使 達(dá)到 形成 擴(kuò)散電流等于飄移電流 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 飄移運(yùn)動(dòng) 重要概念： 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 飄移運(yùn)動(dòng) PN結(jié) 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場 第二章 半導(dǎo)體器件 (122) ? 空間電荷區(qū)中沒有載流子， 所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。 ? 空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙 P中的空穴、N中的電子（ 都是多子 ）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（ 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ），故空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。 ? P 中的電子和 N中的空穴（ 都是少子 ），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。在 定量計(jì)算 時(shí)往往忽略。 請注意 第二章 半導(dǎo)體器件 (123) PN結(jié) 加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P區(qū)加正、 N區(qū)加負(fù)電壓。 PN結(jié) 加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、 N區(qū)加正電壓。 二、 PN結(jié)的特性 第二章 半導(dǎo)體器件 (124) PN結(jié)正向偏置 － － － － + + + + 內(nèi)電場 外電場 變薄 P N + _ 內(nèi)電場被削弱， 多子的擴(kuò)散加強(qiáng) 能夠形成較大的 擴(kuò)散電流 （ mA)， 認(rèn)為 PN結(jié)導(dǎo)通。 注意 ： 串電阻限流。 第二章 半導(dǎo)體器件 (125) PN結(jié)反向偏置 － － － － + + + + 內(nèi)電場 外電場 變厚 N P + _ 內(nèi)電場被加強(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，只能形成較小的反向電流 。認(rèn)為 PN結(jié)截止。形成的微小電流稱為反向飽和電流 (? )。 第二章 半導(dǎo)體器件 (126) PN結(jié)的導(dǎo)電特性： 重要概念： PN結(jié)的單向?qū)c(diǎn)性 由上可知， PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，有較大的電流（多子形成）；而加反向電壓時(shí)截止，僅有反向飽和電流（少子形成）。 所以， PN結(jié)具有單向?qū)c(diǎn)特性 第二章 半導(dǎo)體器件 (127) 式中： Is為反向飽和電流； UT 為溫度電壓當(dāng)量 ， 當(dāng) T＝ 300K時(shí) （ 絕對溫度 ） ,UT≈26mV（ 記住 ） PN結(jié)的伏安特性 U I PN結(jié)伏安特性方程： ?????? ?? 1TUuS eIi第二章 半導(dǎo)體器件 TUuS eIi ?0??? SIi加正向電壓 u＞ 0,且 u UT時(shí) ， 伏安特性呈非線性指數(shù)規(guī)律 ； 加反向電壓 u＜ 0,且 ︱ u︱ UT時(shí) ， 電流基本與 u無關(guān)； 由此亦可說明 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦阅?。 qkTUT ? 電子電量 玻爾茲曼常數(shù) (128) 當(dāng) PN結(jié)的反向電壓增大到一定值時(shí)，反向電流隨電壓數(shù)值的增加而急劇增大，稱為反向擊穿。 PN結(jié)的反向擊穿特性 PN結(jié)的反向擊穿有兩類：齊納擊穿和雪崩擊穿。無論發(fā)生哪種擊穿，若對其電流不加以限制，都可能造成 PN結(jié)的永久性損壞。 第二章 半導(dǎo)體器件 (129) 4. PN 結(jié)電容效應(yīng) PN 結(jié)之間有電容，此電容由兩部分組成： 勢壘電容 CB 和 擴(kuò)散電容 CD。 第二章 半導(dǎo)體器件 PN結(jié)高頻小信號時(shí)的等效電路 : 勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng) rd (130) *５、 PN結(jié)溫度特性 當(dāng)溫度升高時(shí) ， PN結(jié)的反向電流增大 ，正向?qū)妷?