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1、第二章,1.2.1 半导体材料与PN结,半导体器件的工作机理,影响半导体的导电性能： 温度、纯度。,导电性能介于导体（如金、银等）与绝缘体（如陶瓷、橡胶）之间的材料； 主要有：Si（硅）Ge（锗）GaAs（砷化镓）Silicom Germanium Gallium arsenide,一、半导体材料及其电特性,以硅(Si)半导体材料为例：,1. 本征半导体,半导体材料高度提纯后的导体称为本征半导体。纯度为99.99999%以上，成为单晶体。,硅原子核外有14个电子,分三层围绕原子核运动,最外层有4个电子，受原子核的束缚力最弱。硅材料高度提纯后，其原子结构排列的十分整齐。,硅原子,简化原子模型,高
2、度提纯后的硅原子结构,本征半导体的电特性, 硅单晶体原子结构排列的非常整齐；, 每个原子外层的四个电子与相邻四周的原子外层电子形成稳定的共价键结构；, 绝对零度时，价电子无法争脱本身原子核束缚，此时本征半导体呈现绝缘体特性；, 在室温下，本征半导体非常容易受热激发产生电子空穴对；这时的载流子浓度称本征浓度，,本征浓度随温度的上升而增大，所以本征载流子浓度是温度的函数。,常温下，本征硅中自由电子的浓度或空穴的浓度为硅原子浓度的3万亿分之一。所以本征硅的导电能力是很弱的。,自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对。电子空穴对的产生称为本征激发（热激发）。,在本征硅中，自由电子作为携带负电荷的载流
3、子参加导电。空穴也可以看成是携带正电荷的载流子（当某器件导电由两种载流子形成时，该器件就称双极型器件）。,电子和空穴载流子运动说明,出现空穴后，共价键中的价电子较易填补到这个空位上，过程的持续进行，相当于空穴在晶体中移动。,在本征激发的同时，自由电子受原子核的吸引还可能重新回到共价键中去，这种情况称为复合。,在一定的温度下，热激发产生电子空穴对与它们的复合达到动态平衡，电子空穴对维持一定的浓度。,导体中的导电能力由电子空穴对的浓度决定。,2. 杂质半导体,为了提高半导体的导电能力，在本征半导体中掺入某些微量的有用元素作为杂质，称为杂质半导体。,微量有用杂质,(1) N型半导体, 该原子除外层的
4、四个电子与相邻四个硅原子组成稳定的共价键结构外，仍多出一个电子，所以，掺杂后的电子数已远远超过由热激发而产生的电子数。,因此，掺杂后半导体中电子为多子，空穴为少子。称电子型半导体或N型半导体。,N型半导体中的电子浓度为：,其中： 称施主原子（为掺杂原子数）,而, 掺杂后的多出的电子非常容易失去（自由电子），从而使杂质原子变成带正电的正离子。,N型半导体的简化符号表示,施主原子,热激发的电子-空穴对,(2) P型半导体,在本征半导体中掺入微量硼、镓等三价元素。,由于掺入量极微，所以硅的原子结构基本不变，只是某些硅原子被杂质替代了。, 该原子除外层的三个电子与相邻四个硅原子组成共价键结构外，还缺一
5、个电子，留下一个空穴。所以，掺杂后的空穴数已远远超过由热激发而产生的空穴数。,因此，掺入三价元素后半导体中的空穴为多子，电子为少子。称空穴型半导体或P型半导体。,在P型半导体中的空穴浓度为：,其中： 称受主原子（为掺杂原子数）,而, 杂质留下的空穴，非常容易从其它地方的电子来补充，从而使杂质原子变成带负电的负离子。,P型半导体的简化符号表示,受主原子,热激发的电子-空穴对,在热平衡的条件下，一种半导体中的两种载流子的乘积是一定的，与所掺杂质无关。,说明在半导体中，掺入杂质越多，少子越少。,N型半导体中的少子浓度：,P型半导体中的少子浓度：,可以证明：,例1 在室温27度，本征半导体中的硅原子浓
6、度为5.11022cm-3，若掺入109分之一的施主杂质。试求此时半导体中的电子和空穴浓度，两种半导体的电阻率？,解：求施主浓度,设室温时的本征电子浓度和本征空穴浓度为,掺杂后的电子浓度,掺杂后的少子（空穴）浓度,本征半导体的电导率,掺杂后电导率,电阻率,本征,掺杂后,在半导体中，载流子有多种运动。但电子载流子与空穴载流子产生的运动形成的电流方向一致。,3.半导体中载流子的运动,扩散电流,载流子的漂移运动电场作用下载流子的定向运动,电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动。漂移运动引起的电流称漂移电流。,复合运动载流子在运动过程中，电子和空穴相遇而消失。,电压的温度档量,其中：,K波尔兹曼常数（
7、焦尔/K）,T绝对温度（K）,q电子电荷量（库仑）,二、PN结,在N型半导体的基片上，采用平面扩散法等工艺，掺入三价元素，使之形成P型区，则在P区和N区之间的交界面处将形成一个很薄的空间电荷层，称为PN结。PN结的典型厚度为0.5m。,在P区的空穴(多子)向N区扩散，从而在P区一侧留下了不能移动的负离子；,开始时，由于载流子存在浓度差，两边的载流子分别向对方扩散。,而在N区的电子(多子)向P区扩散，结果在N区一侧留下了不能移动的正离子；,最终在交界处的正负离子形成了内建电场E。,内电场是多子的扩散运动引起的，极性由N区指向P区。,有了内电场后，对半导体内载流子的作用为：,阻碍多子的扩散运动,
8、有利于少子的漂移运动,在PN结开路（无外加电压）时，多子的扩散运动与少子漂移运动最终将达到动态平衡，此时扩散电流等于漂移电流，这时PN结呈现为电中性。,空间电荷层、势垒区、阻挡层、高阻区,阻挡层：指阻挡多数载流子的扩散运动；,耗尽层：指PN结内的载流子被耗尽；,动态平衡后的这个特殊区域称：,耗尽层的P区厚度和N区厚度可以不对称。, 正偏：P() N(),外加电压的电场方向与PN结内建电场方向相反，P、N区的多子各自返回耗尽层，从而使PN结厚度变薄。多子的扩散运动将重新被大大增加。,偏置PN结-给PN结外加电压,此时，外加电场与内电场方向一致。P、N区内的多子各自向两头运动，使得空间电荷区厚度变
9、厚。从而阻止了多子的扩散运动，扩散电流大大减小。而有利于少子的漂移运动。这时流过PN结的电流主要为漂移电流。, 反偏：P() N(),少子浓度很低，因此反向电流很小，通常可以略去； 另外，在一定的温度下，靠热激发产生的少子浓度一定，与外加电压无关，故又称反向饱和电流。,可见，PN结有一个十分突出的性质，正偏时PN结正向导电，有较大电流流过；反偏时PN结截止，流过PN结的反向电流很小。,请问：如将PN结短路，PN结会有电流吗？,PN结的单向导电性,三、PN结的VI特性,理论分析可得:在理想条件下流过PN结的电流与两端的电压之间关系为,VT：电压的温度当量，室温下VT26mV,IS：反向饱和电流,
10、(1) 正向特性,PN结正偏时，,则,说明，正向电流大约每增加10倍，二极管两端电压只增加60mV。,(2)反向特性,PN结反偏时,在一定温度下,IS基本上为常数。请思考原因？,则,(3)温度特性,温度升高时,反向饱和电流增大,正向电流也增大。,PN结正向电压具有负温度系数。,温度升高10，IS约增加1倍，电压减小25mV。,(4)击穿特性,当外加反向电压超过击穿电压时，反向电流急剧增大，称为反向击穿。,齐纳击穿多发生在高掺杂的PN结中雪崩击穿多发生在低掺杂的PN结中,4V以下为齐纳击穿,7V以上为雪崩击穿,4-7V可两者都有。,四、PN结电容,PN结电压变化将引起结区及结外侧载流子数量(电荷
11、量)的变化，这一效应可用结电容Cj来模拟。,几十pF,多子扩散到对方后，成为对方的少子。因此，结边缘有一少子浓度分布曲线。当外加正偏电压增大，浓度分布曲线变化相当于电荷量变化。,CD(扩散电容)：PN结正偏,当PN结外加反向电压增大或减小时，空间电荷区将产生宽窄的改变，这相当于两块平行夹板间距发生变化，把此时的情况看成平行夹板电容器，此时等效电容为,CB(垫垒电容)：PN结反偏,1.2.2 半导体二极管,二极管由一个PN结，经管壳封装后引出相应的电极而成。,空心三角形箭头表示实际电流方向： 电流从P流向N。,二极管（按PN结的结构分类有）,点接触型,面结合型,平面型,按制作材料分有：硅管和锗管
12、,二、二极管的伏安特性与参数,由于是一个PN结，所以其VI特性主要决定于PN结的特性,硅管,锗管,不同材料的二极管,其VI特性略有差别。,在理想条件下，二极管两端电压和电流关系用PN结方程表示：,1. 伏安特性,AB：近似指数规律,BC：近似恒压源,导通电压为Von，二极管正向导电时，通常要工作在这个区-线性区。,Von,正向特性,Von,正偏时，,则,说明，正向电流大约每增加10倍，二极管两端电压只增加60mV。,Von,反向特性,IR(IS),VT：电压的温度当量， 室温下VT26mV,IS：反向饱和电流,1.2.3 特种二极管,一、稳压二极管,利用反向击穿特性制成，稳压范围从1V到几百伏
13、不等。,rz愈小，则击穿特性愈陡，稳压特性愈好。,最大允许耗散功率PZM,反向击穿区起始电流,最大稳定电流IZ(max),最小稳定电流IZ(min),稳压管用于简单的稳压电路,当等效负载电阻,当稳压管电流小于稳压管最小击穿电流Imin时，稳压电路将失去稳压作用。所以只能用于负载较轻，IL电流较小场合。,二、发光二极管,电致发光器件，将电信号转换成光信号。,通常由磷砷化镓（GaAsP)、磷化镓（GaP)制成,光的波长（颜色）与材料有关,正偏导通时发光,发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通二极管大，正向电压一般为1.3-2.4V。亮度与正向电流成正比，一般需要几个毫安以上。,发光二极管应用电路
14、,半导体数码管,信号（电平）指示,一段就是一个发光二极管,绿色、节能照明（大功率、高亮度,三、光电二极管,正常工作在反偏状态。无光照时，只有很小的反向饱和电流，称为暗电流；有光照时，PN结受光激发，产生大量电子空穴对，形成较大的光电流。,通常由硅材料制成，管壳有接收光照的透镜窗口。,光电二极管的电流与照度成正比，用于信号检测、光电传感器、电机转速测量等。,光电二极管应用,当光照强时，振荡频率升高，占空比变小，发光二极管亮度增加。,四、变容二极管,反向偏置时，PN结的等效电阻很大，等效电容与所加反向电压的大小有关。,变容二极管的电容很小，一般为pF数量级，通常用于高频电路，如电视机高频头中的压控可变电容器（作选择频道的电调谐器）。,五、肖特基二极管,主要特点是导通电压较低(0.4V左右)，导通时存储的非平衡载流子数量少，关断时间很短，在高速数字电路中获得很好的应用。,习 题,1.1.3 1.1.5,