02第1章 常用半導(dǎo)體器件--pn結(jié)及二極管

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1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院主講：趙建輝第一章常用半導(dǎo)體器件(1)7/2/20211.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極性晶體管1.4場效應(yīng)管1.5單結(jié)晶體管和晶閘管1.6集成電路中的元件第1章常用半導(dǎo)體器件本節(jié)課內(nèi)容7/2/20211.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1本征半導(dǎo)體1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.3PN結(jié)重點(diǎn)：PN結(jié)原理、伏安特性及電流方程。難點(diǎn)：1.兩種載流子及其運(yùn)動(dòng)2.PN結(jié)的形成3.PN結(jié)單向?qū)щ娦灾攸c(diǎn)難點(diǎn)7/2/2021導(dǎo)體自然界中容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁等金屬（p=）。絕緣體有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱

2、為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體本質(zhì):決定于原子結(jié)構(gòu)(最外層電子分布)一、半導(dǎo)體7/2/2021半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：熱敏/光敏特性。當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。如制作CCD/CMOS光電耦合器件等（優(yōu)點(diǎn)）,受溫度變化影響大(缺點(diǎn))。摻雜特性。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，使它的導(dǎo)電能力明顯改變。如制作二極管、三極管器件(優(yōu)點(diǎn))，但是溫度敏感（缺點(diǎn)）。半導(dǎo)體特性可控性。外電

3、壓控制（單向?qū)щ?、放大）?/2/20211.1.1本征半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)GeSiSi純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體。純度：99.9999999%（簡稱9個(gè)9）。常用材料是硅和鍺。Ge最外層電子分布最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)（共價(jià)鍵）。7/2/2021純凈半導(dǎo)體通過一定工藝過程，可制成單晶體(本征半導(dǎo)體)。每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對價(jià)電子,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)正方體晶格點(diǎn)陣本征半導(dǎo)體平面結(jié)構(gòu)示意圖7/2/2021三、本征半導(dǎo)體的兩種載流子自由電子空穴束縛電子本征激發(fā)：在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能

4、量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，帶負(fù)電，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴，帶正電。本征激發(fā)（自由電子/孔穴）？問題：整個(gè)半導(dǎo)體電性（空穴—自由電子成對出現(xiàn)或者消失）視頻7/2/2021本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理兩種載流子：自由電子和空穴均參與移動(dòng)（導(dǎo)電）。電子移動(dòng)形成電子電流。空穴移動(dòng)形成空穴電流。移動(dòng)方向相反，電流方向相同。本征半導(dǎo)體電流為二者之和。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱（原因：本征激發(fā)少）。+4+4+4+4兩種載流子導(dǎo)電機(jī)理視頻7/2/2021典型值：T=0K，濃度0，相當(dāng)于絕緣體。T=300K（室溫）,硅：1010量級(jí)（硅原子：1022量級(jí)）一定溫度下，

5、本征激發(fā)與復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡，載流子濃度一定。且電子與空穴的濃度相等：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。四、本征半導(dǎo)體中載流子濃度載流子的濃度與環(huán)境密切相關(guān)。溫度大?濃度大?本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn)：（熱敏/光敏器件）缺點(diǎn)：（溫度穩(wěn)定性差原因，電子線路環(huán)境溫度問題）7/2/2021擴(kuò)散（摻雜）?雜質(zhì)半導(dǎo)體?導(dǎo)電性能顯著變化。原因：摻雜引起半導(dǎo)體某種載流子濃度大大增加，與摻雜濃度相關(guān)。P型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）：空穴濃度大大增加。N型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體）：自由電子濃度大大增加。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體根據(jù)摻雜物質(zhì)不同分為2種：7/2/2021一、N型半導(dǎo)體在純凈半

6、導(dǎo)體晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)原子取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，常溫下很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子（施主原子）。+4+4+5+4磷原子(施主原子)自由電子自由電子為多子（同雜質(zhì)濃度），空穴為少子N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子（少子）是什么？7/2/2021P型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體晶體中摻入少量的3價(jià)元素硼，晶體中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)原子取代，硼原子的最外層有3個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空位

7、（電中性），這個(gè)空位很容易吸附電子形成新的空穴，這樣硼原子就成了不能移動(dòng)帶負(fù)電的離子（受主原子）。空穴為多子（同雜質(zhì)濃度），自由電子為少子P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子（多子）是什么？+4+4+3+4空穴（多子）硼原子（受主原子）7/2/2021雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。多子：摻雜形成，濃度與雜質(zhì)濃度相等。起主導(dǎo)電作用。少子：本征激發(fā)形成，濃度底，溫度敏感，影響器件性能。7/2/2021摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

8、有很大的影響（相對本征激