第章 半导体器件讲解课件.ppt

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1、第1章半导体器件1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.1半导体的基础知识物体根据导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三大类。凡容易导电的物质（如金、银、铜、铝、铁等金属物质）称为导体；不容易导电的物质（如玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等）称为绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（如硅、锗、硒等）称为半导体。半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有热敏性、光敏性、掺杂性等特殊性能。1.1.1本征半导体本征半导体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。半导体硅

2、和锗都是4价元素，其原子结构如图1.1(a),(b)所示。图1.1半导体的原子结构示意图（a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型本征半导体晶体结构示意图如图1.2所示。由图1.2可见，各原子间整齐而有规则地排列着，使每个原子的4个价电子不仅受所属原子核的吸引，而且还受相邻4个原子核的吸引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，因此，本征半导体导电能力较差。图1.2单晶硅的共价键结构但是，如果能从外界获得一定的能量（如

3、光照、温升等），有些价电子就会挣脱共价键的束缚而成为自由电子，在共价键中留下一个空位，称为“空穴”。空穴的出现使相邻原子的价电子离开它所在的共价键来填补这个空穴，同时，这个共价键又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把空穴看成一种带正电荷的载流子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，因此形成的电流就越大。在本征半导体中，空穴与电子是成对出现的，称为电子—空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的。本征半导体在温度升高时产生电子—空穴对的现

4、象称为本征激发。温度越高，产生的电子—空穴对数目就越多，这就是半导体的热敏性。在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著改变。根据掺入杂质元素的性质不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。1.P型半导体P型半导体是在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如硼、铟等）而形成的。因杂质原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少1个电子，因此在晶体中便

5、产生一个空穴，当相邻共价键上的电子受热激发获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键因缺少了一个电子，便形成了空穴，使得整个半导体仍呈中性，如图1.3所示。图1.3P型半导体的共价键结构在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子—空穴对，由于杂质的掺入，使得空穴数目远大于自由电子数目，成为多数载流子(简称多子)，而自由电子则为少数载流子(简称少子)。因而P型半导体以空穴导电为主。2.N型半导体N型半导体是在本征半导体硅中掺入微量的5价元素（如磷、砷、镓等）而形成的，杂质原子有

6、5个价电子与周围硅原子结合成共价键时，多出1个价电子，这个多余的价电子易成为自由电子，如图1.4所示。综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。图1.4N型半导体的共价键结构1.1.3PN结的形成及特性1.PN结的形成在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体，它们的交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，称其为PN结。PN结的形成过程如图1.5所示。图1.5PN结的形成（a）多子扩散示意图；（b）PN结的形成2.PN结的单向导电性1）PN结正向偏置

7、——导通给PN结加上电压，使电压的正极接P区，负极接N区（即正向连接或正向偏置），如图1.6（a）所示。由于PN结是高阻区，而P区与N区电阻很小，因而外加电压几乎全部落在PN结上。由图可见，外电场将推动P区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和，推动N区的多子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，其结果使电路中形成较大的正向电流，由P区流向N区。这时PN结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。图1.6PN结的单

8、向导电性（a）正向连接;（b）反向连接2）PN结反向偏置——截止将PN结按图1.6（b）所示方式连接（称PN结反向偏置）。由图可见，外电场方向与内电场方向一致，它将N区的多子（电子）从PN结附近拉走，将P区的多子（空穴）从PN结附近拉走，使PN结变厚，呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略