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1、模拟电路与数字电路本讲稿第一页，共三十七页内容提要内容提要半导体基础知识半导体基础知识晶体二极管晶体二极管特殊二极管特殊二极管晶体三极管晶体三极管场效应管场效应管本讲稿第二页，共三十七页2.1 2.1 半导体的基础知识半导体的基础知识本征半导体本征半导体杂质半导体杂质半导体载流子的运动方式及形成的电流载流子的运动方式及形成的电流本讲稿第三页，共三十七页半半导体及其材料体及其材料 导体体 :电阻率阻率小于小于1010-3-3cm cm 绝缘体体:大于大于10108 8cm cm 半半导体体:介于介于导体和体和绝缘体之体之间。常用半常用半导体材料有体材料有:硅（硅（Si）、锗（Ge）、砷化）、砷化
2、镓(GaAs)等等2.1.1 2.1.1 半导体半导体电阻率：数值上等于单位长度、单位截面的某种物质的电阻。本讲稿第四页，共三十七页本征半导体本征半导体半导体的原子结构半导体的原子结构:本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分化学成分纯净的半的半导体。在物理体。在物理结构上呈构上呈单晶单晶体形态。体形态。硅硅(Si)锗锗(Ge)制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%，常称，常称为为“九个九个9”9”。本讲稿第五页，共三十七页掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，
3、其电阻 率大大下降而率大大下降而导电能力能力显著增著增强。据此可据此可 制作各种半制作各种半导体器件，如二极管体器件，如二极管和三极管和三极管 等。等。半半导体特性体特性 本征半导体本征半导体本讲稿第六页，共三十七页光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。其导电能力增强。据此可制作各种光敏元件，如光敏据此可制作各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。电阻、光敏二极管、光敏三极管等。半导体的特性半导体的特性 热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力热敏性：半导体的电阻率随着温度的
4、上升而明显下降，其导电能力增强。增强。据此可制作温度敏感元件，如热敏电阻。据此可制作温度敏感元件，如热敏电阻。本征半导体本讲稿第七页，共三十七页半导体的共价键结构半导体的共价键结构 共价键共价键中的两个价电子原子核 本征半本征半导体概念体概念 本讲稿第八页，共三十七页本征激发本征激发本征激发本征激发（热激发）（热激发）（热激发）（热激发）本征半本征半导体的体的导电机理机理 本征激发产生的空穴空穴价价 电电 子子 价电子受热或受光照（即获得价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为缚，成为自由电子自由电子（带负电），同（带负电），同时共价键中留
5、下一个带正电的时共价键中留下一个带正电的空穴空穴。该现象称为本征激发该现象称为本征激发(热激发热激发)本征激发产生的自由电子自由电子本讲稿第九页，共三十七页本征激发本征激发本征激发本征激发（热激发）（热激发）（热激发）（热激发）本征半本征半导体的体的导电机理机理 空穴空穴价价 电电 子子自由电子自由电子在热激发下，本征半导体中存在在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒两种能参与导电的载运电荷的粒子子(载流子载流子)：成对的电子和空穴复复复复 合合合合自由电子回到共价键自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子空穴成结构中的现象。此时电子空穴成对消失。对消失。本讲稿第十页，共三十
6、七页本征半本征半导体的体的导电机理机理 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。注意：注意：注意：注意：(1)(1)本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差。其导电性能很差。其导电性能很差。其导电性能很差。(2)(2)温度越高，温度越高，温度越高，温度越高，载流子的数目越多载流子的数目越多载流子的数目越多载流子的数
7、目越多,半导体的导电性能也就半导体的导电性能也就半导体的导电性能也就半导体的导电性能也就越越越越好。好。好。好。可见，温度对半导体器件性能影响很大。可见，温度对半导体器件性能影响很大。可见，温度对半导体器件性能影响很大。可见，温度对半导体器件性能影响很大。T300K时电子浓度硅：锗：铜：本讲稿第十一页，共三十七页杂质半导体杂质半导体 杂质杂质半导体半导体在本征半在本征半导体中体中掺入微量其它元素而得到入微量其它元素而得到的半的半导体。导体。杂质半导体可分为：杂质半导体可分为：N N型型(电子子)半半导体和体和P P型型(空穴空穴)半半导体两体两类。本讲稿第十二页，共三十七页 1.N1.N型半型
8、半导体体 在在本本征征半半导体体中中掺入入微微量量五五五五价价价价元元元元素素素素物物质质（磷磷、砷砷等等）而而得得到到的的杂质半导体。杂质半导体。结构构图本讲稿第十三页，共三十七页 掺杂后，某些位置上的掺杂后，某些位置上的 硅原子被硅原子被5 5价杂质原子（如磷价杂质原子（如磷 原子）取代。磷原子的原子）取代。磷原子的5 5个价个价 电子中，电子中，4 4个价电子与邻近硅个价电子与邻近硅 原子的价电子形成共价键，剩原子的价电子形成共价键，剩 余价电子只要获取较小能量即余价电子只要获取较小能量即 可可成成为为自自自自由由由由电电电电子子子子。同同时时，提提供供电电子子的的磷磷原原子子因因带带正
9、正电电荷荷而而成成为为正正正正离离离离子子子子。电电子子和和正正离离子子成成对对产产生生。上上述述过过程程称称为为施施施施主主主主杂杂杂杂质质质质电电电电离离离离。5 5价价杂质原原子子又又称称施施施施主杂质主杂质主杂质主杂质。1.N 1.N 型半型半导体体常温下杂质原子电离，产生电子正离子本讲稿第十四页，共三十七页这种电子为多数载流子的杂质半导体称为N型半导体。可见：在可见：在N N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子（简称（简称多子多子多子多子）；）；空穴是空穴是空穴是空穴是少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子（简称（简称
10、少子少子少子少子）。）。N N型半型半导体中体中还存在来自于存在来自于热激激发的的电子子-空穴空穴对。1.N 1.N 型半型半导体体 N N型半型半导体是否体是否带电？正正负电荷数荷数相等相等相等相等，N N型半型半导体呈体呈电电中性中性中性中性N N型半型半导体中体中电子子-空穴数是否相同？空穴数是否相同？本讲稿第十五页，共三十七页 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入微微量量三三三三价价价价元元元元素素素素物物质质（硼硼、铝铝等等）而而得得到到的的杂杂质质半半导体导体。结构图结构图2.P2.P型半型半导体体幻灯片放映本讲稿第十六页，共三十七页 掺杂后，某些位置上的掺杂后，某些位置上的 硅原
11、子被硅原子被3 3价杂质原子（如硼价杂质原子（如硼 原子）取代。硼原子有原子）取代。硼原子有3 3个价个价 电子，与邻近硅原子的价电子电子，与邻近硅原子的价电子 构成共价键时会形成构成共价键时会形成空穴空穴空穴空穴，导致共价键中的电子很容易导致共价键中的电子很容易 运运动动到到这这里里来来。同同时时，接接受受一一个个电电子子的的硼硼原原子子因因带带负负电电荷荷而而成成为为不不能能移移动的动的负离子负离子负离子负离子。空穴和负离子成对产生。空穴和负离子成对产生。上述过程称为上述过程称为受主杂质电离受主杂质电离受主杂质电离受主杂质电离。3 3价价杂质原子又称原子又称受主杂质。受主杂质。受主杂质。受
12、主杂质。2.P2.P型半型半导体体 本讲稿第十七页，共三十七页这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。可见：在可见：在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子空穴是多数载流子空穴是多数载流子(简称称多子多子多子多子),),自由电子是少自由电子是少自由电子是少自由电子是少数载流子数载流子数载流子数载流子（简称（简称少子少子少子少子）。）。P P型半型半导体中体中还存在来自于存在来自于热激激发的的电子子-空穴空穴对。2.P2.P型半型半导体体本讲稿第十八页，共三十七页杂质浓度对导电性能的影响Si原子浓度：5 1022 cm3本征Si：ni=1.5 1010 cm 3(30
13、0 K)105 cm 杂质浓度：1013 cm3103 cm 1021 cm310 3 cm 掺杂浓度对半导体导电性有很大的影响！本讲稿第十九页，共三十七页扩散运动扩散运动扩散运动扩散运动载流子受流子受扩散力的作用所作的运散力的作用所作的运动称称为扩散运散运动。扩散电流扩散电流扩散电流扩散电流载流子流子扩散运散运动所形成的所形成的电流称流称为扩散散电流。流。扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比载流子运动方式及形成电流载流子运动方式及形成电流1.1.扩散运散运动及及扩散散电流流本讲稿第二十页，共三十七页漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。载流子在电场力作用下
14、所作的运动称为漂移运动。漂移电流漂移电流漂移电流漂移电流载流子漂移运流子漂移运动所形成的所形成的电流称流称为漂移漂移电流。流。漂移电流大小与电场强度成正比2.2.漂移运漂移运动及漂移及漂移电流流本讲稿第二十一页，共三十七页1.PN1.PN结的形成的形成 在一在一块本征半本征半导体的两体的两边边掺以不同的杂质，使其一边掺以不同的杂质，使其一边形成形成P P型半导体，另一边形成型半导体，另一边形成N N型半导体，则在它们交界处型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，就出现了电子和空穴的浓度差，于是于是P P区空穴向区空穴向N N区扩散，区扩散，N N区电区电子向子向P P区扩散。区扩散
15、。另一方面，随着另一方面，随着扩散运散运动的的进行，行，P P区一区一边失去空穴留下失去空穴留下负离子，离子，N N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。电区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。电场方向由场方向由N N区指向区指向P P区，有利于区，有利于P P区和区和N N区的少子漂移运动，而阻止多子区的少子漂移运动，而阻止多子扩散运动。扩散运动。PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性本讲稿第二十二页，共三十七页23U：势垒电压 U=0.60.8V 或 0.20.3VPNPN结平衡平衡空间电荷区空间电荷区/耗尽层耗尽层U内建电场内建电场1.PN1.PN结
16、的形成的形成 本讲稿第二十三页，共三十七页多子扩散形成空间电荷区,产生内电场 少子漂移促使促使促使促使阻止阻止阻止阻止 扩散与漂移达到动态平衡动态平衡形成一定宽度的PN结本讲稿第二十四页，共三十七页小结 n载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。n漂移运动=扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。本讲稿第二十五页，共三十七页1.PN1.PN结的形成的形成 扩散交界处的浓度差P区的一些空 穴向N区扩散N区的一些电 子向P区扩散P区留下带负 电的受主离子N区留下带正 电的施主离子内建电场漂移电流扩散电流PN 结动态平衡本讲稿第二十六页，共三十七页2.PN2.PN结的特
17、性的特性 （1 1 1 1）单向导电性单向导电性单向导电性单向导电性 （2 2 2 2）击穿特性击穿特性击穿特性击穿特性 本讲稿第二十七页，共三十七页(1)(1)单向向导电性性 2.PN2.PN结的特性的特性 本讲稿第二十八页，共三十七页29加偏压时的耗尽层UUU 合成电场合成电场(1)(1)单向向导电性性 PNPNPNPN结结加正向加正向加正向加正向电压电压2.PN2.PN结的特性的特性 PNPN外加正向外加正向电压时，内建，内建电电场被削弱，势垒高度下降，场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使空间电荷区宽度变窄，这使得得P P区和区和N N区能越过这个势垒区能越过这个势垒的的多数
18、载流子多数载流子多数载流子多数载流子数量大大增加，数量大大增加，形成较大的形成较大的扩散电流扩散电流扩散电流扩散电流。未加偏压时的耗尽层本讲稿第二十九页，共三十七页30流过流过PNPN结的电流随外加电压结的电流随外加电压U U的的增加而迅速上升，增加而迅速上升，PNPN结呈现结呈现为小电阻。该状态称：为小电阻。该状态称：加正向偏压时的耗尽层UUU 合成电场合成电场PN结正向导通状态未加偏压时的耗尽层PNPNPNPN结结加正向加正向加正向加正向电压电压本讲稿第三十页，共三十七页31加反向偏压时的耗尽层UU+U 合成电场合成电场(1)(1)单向向导电性性 PNPNPNPN结结加反向加反向加反向加反
19、向电压电压2.PN2.PN结的特性的特性 PNPN外加反向外加反向电压时，内建，内建电电场被增强，势垒高度升高，场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零，而扩散电流趋于零，而少子少子少子少子更更容易产生容易产生漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动 。未加偏压时的耗尽层本讲稿第三十一页，共三十七页32加反向偏压时的耗尽层UU+U 合成电场合成电场流过流过PNPN结的电流称为反向结的电流称为反向饱和电流饱和电流(即即I IS S)，PNPN结呈现呈现为大电阻。该状态称：为大电阻。该状态称：PNPN结结反向
20、截止状反向截止状态态未加偏压时的耗尽层PNPNPNPN结结加反向加反向加反向加反向电压电压本讲稿第三十二页，共三十七页小结 nPN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到IS0，则认为PN结截止。nPN结正向导通、反向截止的特性称PN结的单向导电特性单向导电特性。本讲稿第三十三页，共三十七页击穿击穿击穿击穿PNPN结外加反向外加反向电压且且电压值超超过一定限度一定限度时，反向，反向电流电流急剧增加而结两端电压基本不变的现象。急剧增加而结两端电压基本不变的现象。(2)(2)击穿特性穿特性 2.PN2.PN结的特性的特性 击穿不
21、一定导致损坏。击穿不一定导致损坏。利用利用PNPN结击穿特性可以制作稳压管。结击穿特性可以制作稳压管。击穿电压击穿电压击穿电压击穿电压U Uz z 本讲稿第三十四页，共三十七页 雪崩击穿雪崩击穿击穿分类击穿分类(2)(2)击穿特性穿特性 2.PN2.PN结的特性的特性 齐纳击穿齐纳击穿本讲稿第三十五页，共三十七页雪崩击穿(碰撞击穿)反向电压足够高反向电压足够高反向电压足够高反向电压足够高时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外
22、层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其它的外层的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其它的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿 。(2)(2)击穿特性穿特性 2.PN2.PN结的特性的特性 本讲稿第三十六页，共三十七页齐纳击穿(电场击穿)当当反向电压足够高反向电压足够高反向电压足够高反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到，空间电荷区中的电场强度达到10105 5V Vcmcm以以上时，可上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子把共价键中的电子拉出来，产生电子-空穴对，使载流子突然增多，空穴对，使载流子突然增多，产生击穿现象，称为齐纳击穿。产生击穿现象，称为齐纳击穿。掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。(2)(2)击穿特性穿特性 2.PN2.PN结的特性的特性 本讲稿第三十七页，共三十七页