《微电子学概论》02 半导体物理和器件物理基础.ppt

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1、第二章半导体物理和器件物理基础半导体物理和器件物理基础半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的载流子输运PN节与二极管BJT双极晶体管MOS场效应晶体管固体材料：超导体:大于106(cm)-1导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1什么是半导体？从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制原子结合形式：共价键晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构1、半导体的结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2.半导体中的载流子本征半导体：n=p=

2、ni电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构原子能级能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态原子能级反成键态成键态价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg4.半导体的掺杂BAs受主掺杂施主掺杂施主和受主浓度：ND、NA

3、施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2ni与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度：电子浓度n,空穴浓度p6.非本征半导体的载流子在非本征情形:热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n多子：多数载流子n型半导体：电子p型半导体：空穴少子：少数载流子n型半导体：空穴p型半导体：电子7.电中性条件:正负电荷之和为0

4、p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半导体：电子nNd空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa电子nni2/Na8.过剩载流子由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9.载流子的输运漂移电流迁移率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动引入迁移率的概念影响迁移率的因素影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间

5、（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：pn结金属－半导体接触MOS结构异质结超晶格半导体器件物理基础1.PN结的形成NPXNXP空间电荷区XM空间电荷区－耗尽层空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子自建电场E2.平衡的PN结：没有外加偏压载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势3.正向偏置的PN结正向偏置时，扩散大于漂移正向电流N

6、区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移NP正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕4.PN结的反向特性N区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散NP5.PN结的特性单向导电性：正向导通反向截至正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压：Vbi≈0.7V(Si)6.PN结的击穿雪崩击穿隧道击穿反向击穿电压Vrb7.PN结电容8.二极管的特性参数正向压降VF正向电流IF击穿电压VBR反向（漏）电流IR结电容CD反向恢复时间trr二极管特性参数的应用正向电压VF正向电流IF击穿电压VBRABC1.00.720

7、.8513304080现要设计一个全桥整流电路，整流桥输入电压24VAC，负载最大功率40W，应选择上面的那种型号的二极管？并说明理由。双极晶体管双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极双极晶体管的两种形式：NPN和PNP双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbecbePNPNPN晶体管工作时的偏置情况NPN晶体