电工电子技术 教学课件 作者 刘述民 第5章 半导体器件.ppt

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1、第五章半导体器件5.1半导体材料及PN结5.2半导体二极管及其应用5.3半导体三极管5.4场效应管5.1半导体材料及PN结5.1.1半导体材料及导电特性物质按其导电能力可以分为三类：一类是导电能力较强的物质叫导休，其电阻率ρ<10-4Ω.m，金属一般都是导体，如银、铜、铝等；另一类是几乎不能导电的物质叫绝缘体，其电阻率为ρ>10-4Ω.m，如橡皮、塑料、陶瓷等；此外，还有一些物质，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，我们称它们为半导体，如锗、硅、硒、砷化镓及一些金属的氧化物或硫化物。半导体的导电性能由其以下独特

2、的性质决定：(1)热敏性：半导体的导电能力随温度升高而迅速增强；(2)掺杂性：半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化；(3)光敏性：半导体的导电能力随光照而发生显著变化；图5–1硅和锗简化原子结构模型图5–2本征半导体共价键晶体结构示意图5.1.2本征半导体不含杂质且具有完美晶体结构的半导体称为本征半导体。最常用的本征半导体有锗和硅晶体，它们都是四价元素，即在其原子结构模型的最外层轨道上含有四个价电子。共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量,其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子,同时必然在共价

3、键中留下空位,称为空穴。空穴带正电,如图5-3所示。图5–3本征半导体中的自由电子和空穴由此可见,半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的,因此,它们的浓度是相等的。半导体的导电能力的大小决定于载流子数目的多少，而载流子的数目有与温度、光照程度和参入杂质浓度有关，因此半导体的导电能力受温度、光照和参入杂质等的影响。5.1.3杂质半导体1.Ｎ型半导体在本征半导体中,掺入微量５价元素,如磷、锑、砷等,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂

4、质原子的最外层有５个价电子,因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束缚,而只受自身原子核的束缚,因此,它只要得到较少的能量就能成为自由电子,并留下带正电的杂质离子,它不能参与导电,如图5-4所示。显然,这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度,主要靠电子导电,所以称为Ｎ型半导体。由于５价杂质原子可提供自由电子,故称为施主杂质。Ｎ型半导体中,自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。图5-4N型半导体原子结构示意图杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度。由于少数

5、载流子是半导体材料共价键提供的,因而其浓度主要取决于温度。在本征半导体中,掺入微量３价元素,如硼、镓、铟等,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。图5-5P型半导体原子结构示意图2.P型半导体5.1.4PN结及其单向导电性在一块本征半导体上，通过一定的掺杂工艺，使一边形成Ｐ型半导体，另一半形成Ｎ型半导体，在它们的交界处将形成一个特殊功能的薄层，称为PN结。在Ｐ型半导体和Ｎ型半导体交界处，由于Ｐ型半导体中空穴多于自由电子，Ｎ型半导体中自由电子多于空穴，这样在交界面附近将产生多数载流子的扩散运动。如图5-

6、5所示，Ｐ区的空穴向Ｎ区扩散，与Ｎ区的自由电子复合，Ｎ区的自由电子向Ｐ区扩散，与Ｐ区的空穴复合。随着扩散运动的进行，在Ｐ区一侧留下不能移动的负离子，在Ｎ区一侧留下不能移动的正离子，这个区域称为空间电荷区。1)PN结的形成(a)多数载流子的扩散运动(b)平衡时阻挡层的形成图5-5PN结的形成1.2.2ＰＮ结的单向导电特性PN结外加正向电压（简称正偏），外电场与内电场方向相反，内电场被削弱，空间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动，因而形成较大的扩散正向电流。而漂移电流是由少数载流子的漂移运动形成的，少数载流子数

7、量很少，故对总电流的影响可忽略，所以外接正向电压时，PN结处于导通状态并呈低电阻状态。1.PN结外加正向电压图1-7PN结单向导电特性2.ＰＮ结外加反向电压PN结外加反向电压（简称反偏）如图5-6(b)所示，这时，外电场与内电场方向一致，内电场增强，多数载流子扩散难以进行，只有少数载流子在电场作用下形成漂移电流，漂移电流与扩散电流方向相反，又称反向电流。少数载流子数量少，所以形成很小的反向电流ID。反向电流受温度影响较大，当温度一定时反向电流基本上不受外加电压的影响。PN结具有单向导电性。PN结加正向电压

8、时，电路中有较大电流流过，PN结导通；PN结加反向电压时，电路中电流很小，PN结截止。5.2半导体二极管及其应用5.2.1二极管的结构半导体二极管是由PN结两端接上电极引线并用管壳封装构成的。半导体二极管按结构不同可分为点接触型二极管和面接触型二极管；按材料不同又可分为硅和锗二极管。（a）点接触型结构（b）面接触型结构（c）集成电路中的平面型结构（d）图形符号图5-7半导体二极管的