【正文】 由電子濃度 雜質(zhì)濃度 ? 16 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 16 二 、 P 型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)原子 ， 即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體 。 我們可以 人工少量摻雜某些元素的原子 ， 從而顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 ， 這樣獲得的半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體 。 分別用 ni和pi表示自由電子和空穴的濃度 (cm3) ， 理論上 kTEeTApn 2230ii0G???其中 T 為 絕對(duì) 溫度 (K) ； EG0 為 T = 0 K時(shí)的禁帶寬度 ， 硅原子為 eV， 鍺為 eV； k = ? 10? 5 eV / K為玻爾茲曼常數(shù)； A0為常數(shù) ，硅材料為 ? 1016 cm 3 K? 3 / 2，鍺為 ? 1016 cm? 3 K? 3 / 2。 空穴的移動(dòng)實(shí)際上是 束縛電子 的反移動(dòng)。 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 圖 4. 1 . 3 本征激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生自由電子和空穴 ? 10 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 10 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 圖 4. 1 .4 價(jià)電子反向遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于空穴移動(dòng) 空穴移動(dòng)方向 價(jià)電子移動(dòng)方向 價(jià)電子的反向遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等價(jià)為空穴在半導(dǎo)體中自由移動(dòng) 。 共價(jià)鍵中的價(jià)電子是不能導(dǎo)電的束縛電子 。 G r oup 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Perio d 1 1 H 2 He 2 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 3 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 4 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 2 8 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 6 55 Cs 56 Ba * 71 Lu 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 7 87 Fr 88 Ra ? 103 Lr 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 1 1 0 Ds 111 Rg 1 1 2 U ub 1 1 3 U ut 1 1 4 U uq 1 1 5 U up 1 16 U uh 1 1 7 U us 1 1 8 U uo * 鑭系元素 * 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb ? 放射性元素 ? 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No IIIV族半導(dǎo)體 Ga(Al,In)As Ga(Al,In)P Ga(Al,In)N IV族半導(dǎo)體 : Ge, GeSi, Si, SiC, C IIVI族半導(dǎo)體 Zn(Mg,Cd,Hg)O Zn(Mg,Cd,Hg)S 半導(dǎo)體體系 金屬 半導(dǎo)體（豐富多彩） 絕緣體 IV族 IIIV族 IIVI族 Ge Si GeSi SiC C ? Ga(Al,In)As Ga(Al,In)P Ga(Al,In)N ? Zn(Mg,Cd,Hg)O Zn(Mg,Cd,Hg)S ? ? 半導(dǎo)體體系 光電器件 (GaN,GaP) 微波器件 (GaAs,InP) 功率器件 (AlGaN/GaN) 多功能性：生物芯片，壓電傳感器，聲表面波器件，透明電極，納米結(jié)構(gòu) 高溫器件 高壓器件 ? 8 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 8 本征半導(dǎo)體 純凈 的 單晶 半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體 。m 。 電路分類(lèi) : 按功能分：模擬電路、數(shù)字電路、數(shù) /?；旌想娐? 按形式分：印制板電路、薄厚膜混合集成電路、半導(dǎo)體集成電路 電路發(fā)展趨勢(shì)： SoC（系統(tǒng)集成、片上系統(tǒng)） 電路的作用： 將人類(lèi)帶入 智器時(shí)代 。 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 ? 41 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) ? 42 PN結(jié) ? 43 晶體二極管 ? 44 雙極型晶體管 ? 45 場(chǎng)效應(yīng)管 ? 5 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 簡(jiǎn)單介紹半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí) ， 包括本征半導(dǎo)體 ， 雜質(zhì)半導(dǎo)體 ， PN結(jié)；分別討論晶體二極管的特性和典型應(yīng)用電路 ， 雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 、 工作機(jī)理 、 特性和應(yīng)用電路 ， 重點(diǎn)是掌握器件的特性 。 半導(dǎo)體 ：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 ， 如硅 (Si) 、 鍺 (Ge) 和砷化鎵 (GaAs) 。 硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個(gè)電子 ， 稱(chēng)為價(jià)電子 ，每個(gè)價(jià)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷 。 +4 價(jià)電子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共價(jià)鍵 圖 4. 1 . 2 本征半導(dǎo)體的空間晶格結(jié)構(gòu) 價(jià)電子可以獲得足夠大的能量 ， 掙脫共價(jià)鍵的束縛 ， 游離出去 ， 成為 自由電子 ， 并在共價(jià)鍵處留下帶有一個(gè)單位的正電荷的 空穴 。 因此 ， 在本征激發(fā)的作用下 ， 本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負(fù)電的 自由電子和帶正電的空穴 ， 二者都可以參與導(dǎo)電 ， 統(tǒng)稱(chēng)為載流子 。 自由電子和空穴都可以參與導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體不同于金屬（只有自由電子）的區(qū)別之一。 自由電子 共價(jià)鍵 復(fù) 合 激發(fā) 禁帶 寬度 導(dǎo)帶 價(jià)帶 ? 13 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 13 T ni (pi) 。 根據(jù)摻雜元素的不同 ， 雜質(zhì)半導(dǎo)體分為 N 型半導(dǎo)體 和 P 型半導(dǎo)體 。 P 型半導(dǎo)體中每摻雜一個(gè)雜質(zhì)元素的原子 ， 就提供一個(gè)空穴 ， 從而大量增加了空穴的濃度 一一 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 。 Pn III ??? 19 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 19 PN 結(jié) 通過(guò)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(huì)形成一個(gè)有特殊物理性質(zhì)的薄層 ， 稱(chēng)為 PN 結(jié) 。而在反偏時(shí)，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。在 T=300K(27℃ )時(shí)， 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(shí)，其中的反向電流會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為 PN 結(jié)的擊穿。 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(shuō)明 PN 結(jié)具有電容效應(yīng)。 CT 和 CD 都隨外加電壓的變化而改變 ， 所以都是非線性電容 。 Z:整流 (1N4001) ； K:開(kāi)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 晶體二極管 二極管的伏安特性 一一 指數(shù)特性 )1()1( TDD /S/SD ???? UukTqu eIeIiIS 為反向飽和電流， q 為電子電量 ( ? 10? 19C) ； UT = kT/q，稱(chēng)為熱電壓，在室溫 27℃ 即 300 K 時(shí)，UT = 26 mV。 減小 ， 雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。 節(jié)點(diǎn) A 的電壓 UA ? E ? I1R1 ? ? I2R2 ? ? E ? UD(on) ? ? ， 解得 I1 ? mA， I2 ? mA， 于是 ID ? I1 ? I2 ? mA 。 uD iD 0 ? IZ m i n ? IZ m a x ? UZ i D IZ UZ uD ? ? ? ? ( a ) ( b ) 圖 4 .3 . 8 穩(wěn)壓二極管 ( a ) 電路符號(hào)； ( b ) 伏安特性 穩(wěn)壓二極管 ? 34 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 34 穩(wěn)壓二極管 通常 : UZ 5V時(shí)具有負(fù)溫度系數(shù) (因齊納擊穿具有負(fù)溫系數(shù) )； UZ7V時(shí)具有正溫度系數(shù) (因雪崩擊穿具有正溫系數(shù) )； UZ在 5V到 7V之間時(shí)，溫度系數(shù)可達(dá)最小 ? 35 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 35 I Z ? ? R L R ? ? D Z I L U O U I ? ? U Z LZZIZ RURUUI ???Z m i nL m i nZZIm i n IRURUU ???m a xm i nLZm i nLZ m i nZIm i n RRURIUUR ????Z m a xL m a xZZIm a x IRURUU ???m i nm a xLZm a xLZ m a xZIm a x RRURIUUR ????m i nLZm i nLZ m i nZIm i nm a xLZm a xLZ m a xZIm a x RURIUURR