模拟电子技术经典教程半导体器件基础

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1、2半导体器件基础半导体其导电性能介于绝缘体和导体之间且受外界因素影响较大,如光,温度和掺杂等。半导体材料制成电子器件的常用半导体材料元素半导体：si，Ge等化合物半导体：GaAs等掺杂用半导体：B，P，Al等硅和锗的二维晶格结构图半导体的共价键结构(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)硅原子空间排列及共价键结构平面示意图本征半导体：纯净的不含杂质的半导体本征半导体及其导电作用本征半导体的特点：在0K时,呈绝缘体特征；在TK时，受热激发（本征激发）；产生电子空穴对；有两种载流子可以参与导电，即自由电子和空穴。本征半导体

2、的热激发过程（动画1-1）（动画1-2）载流子在晶格中的移动示意图1.P型半导体2.N型半导体杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质（3价或5价元素）会使半导体的导电性能显著增强。在Si（或Ge）中掺入5价元素（如磷P）N型半导体结构示意图N型半导体N型半导体共价键结构示意图1.总的空穴数=本征激发空穴总的自由电子数=本征激发的自由电子数+杂质原子产生的自由电子3.自由电子为多数载流子空穴为少数载流子(少子）4.所掺杂质称为施主杂质（或N型杂质、施主原子）在无外电场时，呈电中性N型半导体的特点在Si（或Ge）中掺入少量3价元素（如硼

3、、铝、铟等）。P型半导体的结构示意图P型半导体P型半导体的特点电子数=本征激发电子；总的空穴数=本征激发的空穴数+杂质原子产生的空穴；空穴为多数载流子，电子为少数载流子(少子）；所掺杂质称为受主杂质（或P型杂质、受主原子）；在无外电场时，呈电中性掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3杂质

4、对半导体导电性的影响漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动。空穴顺着电场方向运动，电子则反之。扩散运动：载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。载流子的两种运动N区P区PN结的结构在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结。因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区动画1－3PN结的形成过程对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间

5、电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(3)平面型二极管(2)面接触型二极管(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号PN结面积大，用于工频大电流整流电路。往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。ABCD国产二极管型号命名N型锗材料2AP1二极管普通管规格号N型

6、锗材料P型锗材料N型硅材料P型硅材料W:稳压管，V：微波管半导体二极管实物单向导电性反向击穿特性伏安特性开关特性半导体二极管的特性单向导电性PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流（动画1-4）PN结加正向电压时的导电情况正向特性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。形成正向电流多子向PN结移动空间电荷变窄内电场减弱扩散运动大于漂移运动PN结在外加正向电压时的情况分析外加电场与内电场方向相反，削减内电场

7、的作用PN结加正向电压时低电阻大的正向扩散电流PN结加反向电压时的导电情况（动画1-5）反向特性形成反向电流多子背离PN结移动空间电荷区变宽,内电场增强漂移运动大于扩散运动PN结的外加反向电压时的情况分析外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用PN结加反向电压时高电阻很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。雪崩击穿齐纳击穿反向击穿特性当外加的反向电压大于一定的数值（击穿电压）时，反向电流急剧增加，称为击穿。电击

8、穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低时,管子可恢复原来的状态。热击穿:若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率,则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿。热击穿和电击穿二极管V-I特性V