1、1第一章 半導(dǎo)體器件本章是本課程基礎(chǔ)，應(yīng)著重掌握以下關(guān)鍵點：（1）半導(dǎo)體導(dǎo)電特征。（2）PN結(jié)形成及其單向?qū)щ娦裕?）三極管結(jié)構(gòu)、類型及其電流放大原理（4）三極管特征及其主要參數(shù)本章內(nèi)容： 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 1.2 PN結(jié) 1.3 半導(dǎo)體二極管 1.4 半導(dǎo)體三極管 半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第1頁21.1.1 本征半導(dǎo)體 1）導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很輕易導(dǎo)電物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬普通都是導(dǎo)體。絕緣體：有物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 依據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)不一樣，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。1.1 半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第2頁3半導(dǎo)體導(dǎo)

2、電機理不一樣于其它物質(zhì)，所以它含有不一樣于其它物質(zhì)特點。比如： 當受外界熱和光作用時，它導(dǎo)電能 力顯著改變。 往純凈半導(dǎo)體中摻入一些雜質(zhì)，會使 它導(dǎo)電能力顯著改變。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)導(dǎo)電特征處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs以及一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第3頁4 本征半導(dǎo)體化學(xué)成份純凈半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體材料純度要到達99.9999999%，常稱為“九個9”。 2） 本征半導(dǎo)體硅(鍺)原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核價電子(束縛電子)當代電子學(xué)中，用最多半導(dǎo)體是硅和鍺，它們最外層電子（價電子）都是四個。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。半導(dǎo)體PN結(jié)

3、專題知識培訓(xùn)第4頁5 (1）本征半導(dǎo)體共價鍵結(jié)構(gòu) 硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上四個電子稱為價電子。它們分別與周圍四個原子價電子形成共價鍵。共價鍵中價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序晶體。硅和鍺晶體結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第5頁6硅和鍺共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后原子半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第6頁7共價鍵中兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子極難脫離共價鍵成為自由電子，所以本征半導(dǎo)體中自由電子極少，所以本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子最外層電子是八個，組成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強結(jié)協(xié)力，使原

4、子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第7頁8 （2）電子空穴對 當溫度升高或受到光照射時，價電子能量增高，有些取得足夠能量價電子能夠擺脫原子核束縛，成為自由電子。 自由電子產(chǎn)生同時，在其原來共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子電中性被破壞，展現(xiàn)出正電性，其正電量與電子負電量相等，人們常稱展現(xiàn)正電性這個空位為空穴。 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有能夠運動帶電粒子（即載流子），它導(dǎo)電能力為 0，相當于絕緣體。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第8頁9+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子 可見：因熱激發(fā)而

5、出現(xiàn)自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)，稱為電子空穴對。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第9頁10游離部分自由電子在運動中也可能回到空穴中去。自由電子和空穴相遇重新結(jié)合成對消失過程，稱為復(fù)合 。 這一現(xiàn)象稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會到達動態(tài)平衡。本征激發(fā)和復(fù)合過程半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第10頁11(3)本征半導(dǎo)體導(dǎo)電機理+4+4+4+4在其它力作用下，空穴吸引附近電子來填補，這么結(jié)果相當于空穴遷移，而空穴遷移相當于正電荷移動，所以能夠認為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等兩種載流子，即自由電子和空穴。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第11頁12溫度越高，載流子濃度越高。所以本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力越強，溫

6、度是影響半導(dǎo)體性能一個主要外部原因，這是半導(dǎo)體一大特點。本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力取決于載流子濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生電流。 自由電子定向運動形成了電子電流，空穴定向運動也可形成空穴電流，它們方向相反。 空穴運動 = 相鄰共價鍵中價電子反向依次填補空穴位來實現(xiàn)半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第12頁13本征激發(fā)：在室溫或光照下價電子取得足夠能量擺脫共價鍵束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位（空穴）過程。復(fù)合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消失過程。漂移：自由電子和空穴在電場作用下定向運動。兩種載流子電子（自由電子）空穴兩種載流子運動自

7、由電子（在共價鍵以外）運動空穴（在共價鍵以內(nèi)）運動結(jié)論:1. 本征半導(dǎo)體電子空穴成對出現(xiàn), 且數(shù)量少； 2. 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參加導(dǎo)電； 3. 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度相關(guān)。常溫下。電子-空穴對僅為三萬億分子一。總結(jié)半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第13頁141.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體1）本征半導(dǎo)體缺點？(1)電子濃度=空穴濃度；(2)載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！在本征半導(dǎo)體中摻入一些微量元素作為雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體導(dǎo)電性能發(fā)生顯著改變。其原因是摻雜半導(dǎo)體某種載流子濃度大大增加。摻入雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體2）雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第1

8、4頁15 (1）N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，比如磷，晶體點陣中一些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，即可形成 N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中價電子形成共價鍵，而多出一個價電子因無共價鍵束縛而很輕易被激發(fā)而成為自由電子。 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，所以五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第15頁16N 型半導(dǎo)體+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子數(shù) 空穴數(shù)電子為多數(shù)載流子(多子)空穴為少數(shù)載流子(少子

9、)載流子數(shù) = 電子數(shù) + 空穴數(shù) 電子數(shù)施主離子施主原子由施主原子提供電子，濃度與施主原子相同。摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第16頁17(2) P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，晶體點陣中一些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。 因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺乏一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。 空穴很輕易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第17頁18+

10、3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴數(shù) 電子數(shù)空穴 多子電子 少子載流子數(shù) 空穴數(shù)受主離子受主原子P型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第18頁193）雜質(zhì)半導(dǎo)體示意表示法雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子移動都能形成電流。但因為數(shù)量關(guān)系，起導(dǎo)電作用主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。負離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子N 型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第19頁204）雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電作用IIPINI = IP + INN 型半導(dǎo)體 I INP 型半導(dǎo)體 I IP半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第20頁21

11、5）雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性影響 摻入雜 質(zhì)對本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性有很大影響，一些經(jīng)典數(shù)據(jù)以下: T=300 K室溫下,本征硅電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中自由電子濃度: n=51016/cm3半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第21頁22漂移運動：兩種載流子（電子和空穴）在電場作用下產(chǎn)生定向運動。兩種載流子運動產(chǎn)生電流方向一致。1.1.3 半導(dǎo)體載流子運動。電流I。.空穴 。電子電場作用下漂移運動半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第22頁23擴散運動：因為載流子濃度差異，而形成載

12、流子由濃度高區(qū)域向濃度低區(qū)域擴散，產(chǎn)生擴散運動。空穴擴散示意半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第23頁241.2.1 PN結(jié)形成 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)經(jīng)過擴散不一樣雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合面上形成以下物理過程:1.2 PN結(jié)半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第24頁25一多數(shù)載流子擴散 P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機地結(jié)合在一起時，因為P區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們界面處存在空穴和電子濃度差。于是P區(qū)中空穴會向N區(qū)擴散，并在N區(qū)被電子復(fù)合。而N區(qū)中電子也會向P區(qū)擴散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。伴隨擴散運動不停進行，界面兩側(cè)顯露出正、負離子逐步增多，空間電荷區(qū)展寬

13、，使內(nèi)電場不停增強，于是漂移運動隨之增強。二少數(shù)載流子漂移 在內(nèi)電場作用下，P區(qū)中少子自由電子向N區(qū)漂移，而N區(qū)中少子空穴向P區(qū)飄移，使內(nèi)電場減弱。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第25頁26三擴散與漂移動態(tài)平衡 當內(nèi)電場到達一定值時，多子擴散運動與少子漂移運動到達動態(tài)平衡時，這時，即使擴散和漂移仍在不停進行，但經(jīng)過界面凈載流子數(shù)為零。空間電荷區(qū)不再改變，這個空間電荷區(qū)，就稱為PN結(jié)。 空間電荷區(qū)無載流子停留，故曰耗盡層，又叫阻擋層或勢壘層。無外電場作用時，PN結(jié)內(nèi)部雖有載流子運動，但無定向電流形成。 實際中，假如P區(qū)和N區(qū)摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)相對界面對稱，稱為對稱結(jié)。假如一邊摻雜濃度大(重摻雜)，

14、一邊摻雜濃度小(輕摻雜)，則稱為不對稱結(jié)。用P+N或PN+表示(+號表示重摻雜區(qū))。這時耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第26頁27PN結(jié)形成過程 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)經(jīng)過擴散不一樣雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合面上形成以下物理過程: 因濃度差 多子擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散 半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第27頁28對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，因為缺乏多子，所以也稱耗盡層。 最終,多子擴散和少子漂移到達動態(tài)平衡,形

15、成PN結(jié) 。擴散電流 = 漂移電流 總電流 = 0 P N+-+因為接觸面載流子運動形成PN結(jié)示意圖內(nèi)電場- +擴散運動漂移運動半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第28頁29實質(zhì)上：PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場=電阻 空間電荷區(qū)特點:無載流子阻止多子擴散進行利于少子漂移 P N+-+半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第29頁301.2.2 PN結(jié)單向?qū)щ娦?假如外加電壓使PN結(jié)中： P區(qū)電位高于N區(qū)電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏； PN結(jié)含有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 P區(qū)電位低于N區(qū)電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。 半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識

16、培訓(xùn)第30頁31P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向 PN 結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。 IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流 IF 。IF = I多子 I少子 I多子（1） 外加正向電壓(正向偏置) forward bias PN結(jié)外加正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，減弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動妨礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流影響，PN結(jié)展現(xiàn)低阻性。半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第31頁32(2) 外加反向電壓(反向偏置) reverse bias P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使少子背離 PN 結(jié)移動， 空間電荷區(qū)

17、變寬。IRPN 結(jié)單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流 IRIR = I少子 0 PN結(jié)外加反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動妨礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)少子在內(nèi)電場作用下形成漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)展現(xiàn)高阻性。 半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第32頁33 在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定少子濃度是一定，故少子形成漂移電流是恒定，基本上與所加反向電壓大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。 PN結(jié)變窄P N+ - R 外加正向電壓示意(導(dǎo)電）PN

18、結(jié)變寬P N- + R 外加反向電壓示意（截止）正向電流If反向電流Is半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第33頁34 (3) PN 結(jié)單向?qū)щ娦哉珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，含有很小反向漂移電流，電流近似為零。由此能夠得出結(jié)論：PN結(jié)含有單向?qū)щ娦浴０雽?dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第34頁35ID _流過PN結(jié)電流；IS _反向飽和電流；u 為結(jié)電壓 UT溫度電壓當量，k 為波耳次曼常數(shù)（1.38110-3J/k）T 為絕對工作溫度q 為電子電荷量1.610-19C1.2.3 PN結(jié)伏安(V-A)特征1）、表示式：當 T = 300(27C)：UT = 26 mV半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第

19、35頁36I（mA)正向電流IDU（V）正向反向0.6反向擊穿電壓UBR正向?qū)妷篣D0反向電流IRPN結(jié)V-A特征 曲線2）、V-A特征曲線加正向電壓時加反向電壓時iIS半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第36頁37 當反向電壓超出反向擊穿電壓UB時，反向電流將急劇增大，而PN結(jié)反向電壓值卻改變不大，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。1.2.4 PN結(jié)擊穿特征U 6V)雪崩擊穿：當反向電壓足夠高時（U6V）PN結(jié)中內(nèi)電場較強，使參加漂移載流子加速，與中性原子相碰，使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新電子空穴對，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場IR半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第38頁39齊納擊穿：（Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓 6V)齊納擊穿：對摻雜濃度高半導(dǎo)體，PN結(jié)耗盡層很薄，只要加入不大反向電壓（U6V），耗盡層可取得很大場強，足以將價電子從共價鍵中拉出來，而取得更多電子空穴對，使反向電流驟增。P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場IR半導(dǎo)體PN結(jié)專題知識培訓(xùn)第39頁401