半導(dǎo)體及其本征特征(編輯修改稿)
2025-06-20 01:08 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ?載流子的輸運有哪些模式，對這些輸運模式進(jìn)行簡單的描述 ?設(shè)計一個實驗：首先將一塊本征半導(dǎo)體變成 N型半導(dǎo)體，然后再設(shè)法使它變成 P型半導(dǎo)體。 作業(yè) 半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ) ?據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有 67種，另外還有 110個相關(guān)的變種 ?所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成： ? pn結(jié) ?金屬－半導(dǎo)體接觸 ? MOS結(jié)構(gòu) ? 異質(zhì)結(jié) ? 超晶格 半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ) PN結(jié)的結(jié)構(gòu) 在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導(dǎo)體 ， 另一側(cè)摻雜成為 N 型半導(dǎo)體 ， 兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層 ， 稱為 PN 結(jié) 。 P N PN結(jié) 圖 PN 結(jié)的形成 一、 PN 結(jié)的形成 PN結(jié) PN 結(jié)中載流子的運動 耗盡層 空間電荷區(qū) P N 1. 擴(kuò)散運動 2. 擴(kuò)散運動形成空間電荷區(qū) 電子和空穴濃度差形成 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動 。 —— PN 結(jié) ， 耗盡層 。 P N （ 動畫 13） 3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場 P N 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場 Uho 空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 Uho —— 電位壁壘 ； —— 內(nèi)電場 ； 內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散 —— 阻擋層 。 4. 漂移運動 內(nèi)電場有利于少子運動 —漂移 。 少子的運動與多子運動方向相反 阻擋層 5. 擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡 擴(kuò)散運動使空間電荷區(qū)增大 ， 擴(kuò)散電流逐漸減小； 隨著內(nèi)電場的增強 ， 漂移運動逐漸增加； 當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時 ， PN 結(jié)總的電流等于零 ， 空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定 。 對稱結(jié) 即 擴(kuò)散運動與漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡 。 P N 不對稱結(jié) 1. PN結(jié)的形成 N P 空間電荷區(qū) XM 空間電荷區(qū)－耗盡層 XN XP 空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因為缺少載流子 2. 平衡的 PN結(jié) ： 沒有外加偏壓 能帶結(jié)構(gòu) 載流子漂移 (電流 )和擴(kuò)散(電流 )過程保持平衡 (相等 )，形成自建場和自建勢 自建場和自建勢 ?費米能級 EF：反映了電子的填充水平某一個能級被電子占據(jù)的幾率為： ?E=EF時，能級被占據(jù)的幾率為 1/2 ?本征費米能級位于禁帶中央 kTEE FeEf /)(11)(???二、 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦? 1. PN結(jié) 外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài) 又稱正向偏置，簡稱正偏。 外電場方向 內(nèi)電場方向 耗盡層 V R I 空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運動，電路中有較大的正向電流。 圖 P N 什么是 PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕? 有什么作用？ 在 PN 結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。 2. PN 結(jié) 外加反向電壓時處于截止?fàn)顟B(tài) (反偏 ) 反向接法時 ， 外電場與內(nèi)電場的方向一致 ， 增強了內(nèi)電場的作用； 外電場使空間電荷區(qū)變寬； 不利于擴(kuò)散運動 ， 有利于漂移運動 ， 漂移電流大于擴(kuò)散電流 ， 電路中產(chǎn)生反向電流 I ； 由于少數(shù)載流子濃度很低 ， 反向電流數(shù)值非常小 。 耗盡層 圖 PN 結(jié)加反相電壓時截止 反向電流又稱 反向飽和電流 。 對溫度十分敏感 ， 隨著溫度升高 ， IS 將急劇增大 。 P N 外電場方向 內(nèi)電場方向 V R IS 當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時 ， 回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流 ， PN 結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài) ； 當(dāng) PN 結(jié)反向偏置時 ， 回路中反向電流非常小 ，幾乎等于零 ， PN 結(jié)處于 截止?fàn)顟B(tài) 。 （動畫 14） （動畫 15） 綜上所述： 可見， PN 結(jié)具有 單向?qū)щ娦?。 )1e(S ?? TUuIiIS ：反向飽和電流 UT ：溫度的電壓當(dāng)量 在常溫 (300 K)下， UT ? 26 mV 三、 PN 結(jié)的電流方程 PN結(jié)所加端電壓 u與流過的電流 i的關(guān)系為 )1e(S ?? ktquIi公式推導(dǎo)過程略 四、 PN結(jié)的伏安特性 i = f (u )之間的關(guān)系曲線 。 60 40 20 – – 0 –25 –50 i/ mA u / V 正向特性 死區(qū)電壓 擊穿電壓 U(BR) 反向特性 圖 PN結(jié)的伏安特性 反向擊穿 齊納擊穿 雪崩擊穿 五、 PN結(jié)的電容效應(yīng) 當(dāng) PN上的電壓發(fā)生變化時， PN 結(jié)中儲存的電荷量 將隨之發(fā)生變化，使 PN結(jié)具有電容效應(yīng)。 電容效應(yīng)包括兩部分 勢壘電容 擴(kuò)散電容 1. 勢壘電容 Cb 是由 PN 結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。 (a) PN 結(jié)加正向電壓 （ b) PN 結(jié)加反向電壓 ? N 空間 電荷區(qū) P V R I + U N 空間 電荷區(qū) P R I + ? U V 空間電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化 ， 如同電容的放電和充電過程 。 勢壘電容的大小可用下式表示： lSUQC ???ddb 由于 PN 結(jié) 寬度 l 隨外加電壓 u 而變化 ， 因此 勢壘電容 Cb不是一個常數(shù) 。 其 Cb = f (U) 曲線如圖示 。 ? ：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)； S ：結(jié)面積； l ：耗盡層寬度 。 O u Cb 圖 （ b) 2. 擴(kuò)散電容 Cd ? Q 是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的 。 在某個正向電壓下 ， P 區(qū)中的電子濃度 np(或 N 區(qū)的空穴濃
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