【正文】 蔡竟業(yè) 第一章 常用半導(dǎo)體器件 167。 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 167。 半導(dǎo)體二極管 167。 晶體三極管 167。 場效應(yīng)管 作業(yè)： 蔡竟業(yè) 167。 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 三、 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦? 四、 PN結(jié)的電容效應(yīng) 一、本征半導(dǎo)體 蔡竟業(yè) 一、本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體是 純凈 的 晶體結(jié)構(gòu) 的半導(dǎo)體。 什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？ 導(dǎo)體：鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。 絕緣體：惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到 相當(dāng) 程度時才可能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體－－硅（ Si）、鍺（ Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 無雜質(zhì) 穩(wěn)定的結(jié)構(gòu) 蔡竟業(yè) 硅、鍺原子的結(jié)構(gòu) 蔡竟業(yè) Ge Si +4 硅 Si 鍺 Ge 是典型的半導(dǎo)體 蔡竟業(yè) 共價鍵共 用電子對 +4 +4 +4 +4 +4表示除去價電子后的原子 硅、鍺原子的共價鍵結(jié)構(gòu) 形成共價鍵后每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體 蔡竟業(yè) +4 +4 +4 +4 共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為 束縛電子 ，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為 自由電子 ，因此半導(dǎo)體自由電子很少 蔡竟業(yè) 化學(xué)成分純凈 （ 99. 999%以上 ） 在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài) 完全純凈的 結(jié)構(gòu)完整的 半導(dǎo)體晶體 蔡竟業(yè) 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 在絕對 0度 (T=0K)和沒有外界激發(fā)時 ,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子(即載流子 )，它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體 蔡竟業(yè) +4 +4 +4 +4 自由電子 束縛電子 載流子 : 自由電子和空穴 在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴 空穴 蔡竟業(yè) 電子和空穴在外電場的作用下都將作定向運動，這種作定向運動的電子和空穴（載流子）參與導(dǎo)電，形成本征半導(dǎo)體中的電流 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 +4 +4 +4 +4 蔡竟業(yè) 本征半導(dǎo)體中雖然存在兩種載流子，但因本征載流 子的濃度很低，所以總的來說導(dǎo)電能力很差。 T=300 K室溫下 ,本征硅的電子和空穴濃度 : ni = pi = 1010/cm3 1 本征硅 Si 的原子濃度 : 1022/cm3 2 本征半導(dǎo)體的載流子濃度，除與半導(dǎo)體材料本身的 性質(zhì)有關(guān)以外，還與溫度密切相關(guān)，而且隨著溫度 的升高，基本上按指數(shù)規(guī)律增加。 因此，本征載流子的濃度對溫度十分敏感。 （有敝有利） 本征濃度 本征 鍺 Ge 的 本征濃度是 Si 的 103 倍 3 蔡竟業(yè) 由于熱運動，具有足夠能量的價電子 掙脫 共價鍵的束縛而成為 自由電子 自由電子的游離使共價鍵中留有一個空位置，稱為 空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。 共價鍵 溫度一定，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。 動態(tài)平衡 蔡竟業(yè) 二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。 T=300 K室溫下 ,本征硅的電子和空穴濃度 : ni = pi = 1010/cm3 1 2 某種摻雜半導(dǎo)體中的自由電子濃度 : no = 5 1016/cm3 摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征硅 Si 的原子濃度 : 1022/cm3 蔡竟業(yè) N 型半導(dǎo)體 — 摻入五價雜質(zhì)元素（如磷） 的 半導(dǎo)體 P 型半導(dǎo)體 — 摻入三價雜質(zhì)元素（如硼） 的半導(dǎo)體 為了盡量保持半導(dǎo)體的原有晶體結(jié)構(gòu)，摻入微量的價電子數(shù)接近的三價或五價元素。 +5 +3 蔡竟業(yè) N 型半導(dǎo)體 五價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，多的一個電子形成自由電子 在 N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由 雜質(zhì)原子提供 ； 空穴是少數(shù)載流子 , 由熱激發(fā)形成 提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì) +4 +4 +5 +4 多余 電子 磷原子 蔡竟業(yè) ，濃度與施主原子相同 摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，自由電子濃度遠大于空穴濃度。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 ） N 型半導(dǎo)體中的載流子包括 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半導(dǎo)體 模型 +4 +4 +5 +4 蔡竟業(yè) P 型半導(dǎo)體 因三價雜質(zhì)原子在 與硅原子形成共價 鍵時，缺少一個價 電子而在共價鍵中 留下一個空穴 在 P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜 形成 ； 自由電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子 三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì) +4 +4 +3 +4 空穴 硼原子 蔡竟業(yè) +4 +4 +3 +4 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － P 型半導(dǎo)體 模型 P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子 蔡竟業(yè) ? 本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 本節(jié)中的有關(guān)概念 ? 自由電子、空穴 ? N 型半導(dǎo)體、 P 型半導(dǎo)體 ? 多數(shù)載流子、少數(shù)載流子 蔡竟業(yè) 思考： P 型半導(dǎo)體帶正電嗎？ N 型半導(dǎo)體帶負電嗎？ Si 半導(dǎo)體比 Ge 半導(dǎo)體高溫性能 更好的原因？ 對摻雜半導(dǎo)體，溫度變化主要影響少子還是多子濃度的變化？ 蔡竟業(yè) 1. 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)過載流子的擴散，在它們的交界面處就會形成 PN 結(jié)。 三、 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦? 物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。 氣體、液體、固體均有之。 蔡竟業(yè) 擴散運動 P區(qū)空穴濃度遠高于 N區(qū)。 N區(qū)自由電子濃度遠高于 P區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面 P區(qū)的空穴濃度降低、靠近 接觸面 N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。 蔡竟業(yè) + + + + P型半導(dǎo)體 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N型半導(dǎo)體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴散運動 內(nèi)電場 E 漂移運動 擴散使空間電荷區(qū)逐漸加寬 內(nèi)電場越強，漂移運動越強，漂移使空間電荷區(qū)變薄 空間電荷區(qū) 也稱耗盡層 蔡竟業(yè) （ 1） 空間電荷區(qū) （ 耗盡層 、 勢壘區(qū) 、 高阻區(qū) ） 內(nèi)幾乎沒有載流子 ， 其厚度約為 （ 2） 內(nèi)電場的大?。? 對硅半導(dǎo)體： VD ≈ ～ 對鍺半導(dǎo)體： VD ≈ ～ （ 3） 當(dāng)兩邊的摻雜濃度相等時 ， PN結(jié)是對稱的 當(dāng)兩邊的摻雜濃度不等時 ， PN結(jié)不對稱 （ 4） 從宏觀上看 ， 自由狀態(tài)下 ， PN結(jié)中無電流 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P區(qū) N區(qū) 蔡竟業(yè) P 區(qū) 中的空穴 N 區(qū) 中的電子（都是多子