[工学]模拟电子技术基础 第一章 常用的半导体器件.doc

PAGE \* MERGEFORMAT23 第一章 常用的半导体器件 半导体基础知识 导体：非常容易导电 一般金属都是导体 结构：低价元素，最外层电子少于4个 其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 1.1绝缘体: 基本不导电 如：橡胶、陶瓷、塑料等 高价元素，原子的最外层电子受原子核的束缚力很强 1.2半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间 常用的硅、锗均为四价元素 1.11本征半导体 现代电子学中，用的最多的半导体材料是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。即本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 一、本征半导体的晶体结构 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，形成本征半导体的共价键结构。 常温下价电子很难脱离共价键的束缚成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，其导电能力很弱。 温度升高或受到光的照射时，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。 本征半导体外加电场：由电子定向移动，形成电子电流 价电子依次填补空穴，空穴定向移动，形成空穴电流 本征半导体电流是两个电流之和。本征半导体中有两种载流子，自由电子和空穴均参与导电。 二、本征半导体中载流子的浓度 一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，且自由电子与空穴的浓度相等。 温度升高，热运动加剧，自由电子增多，空穴也随之增多，即载流子的浓度升高，导电性能增强。 本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。 T=0K，自由电子与空穴的浓度均为零，本征半导体为绝缘体。 本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入掺入少量合适的杂质元素 一、N型半导体 掺入五价元素（如磷） 杂质原子最外层???五个价电子，除了与其它硅原子形成共价键，还多出一个电子。杂质原子可以提供电子，称之为施主原子。 N型半导体中的电子产生： 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度，主要靠自由电子导电。 注：掺入杂质的浓度不同，导电性不同 ∴ N型半导体中：自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。 二、P型半导体 掺入三价元素（如硼） 杂质原子最外层有三个价电子，与周围原子形成共价键会形成空位。 硅原子的外层电子来填补空位，在共价键中产生空穴。 P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。 1.1.3 PN结 一、PN结的形成 将P型半导体和N型半导体制作在同一硅片上 在P型半导体和N型半导体的交界面处，两种载流子的浓度差很大，载流子进行扩散运动。 P区的空穴向N区扩散 交界面处自由电子与空穴复合 N区的电子向P区扩散 P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区。 形成内电场，由N区指向P区。 促使少子漂移 阻止多子扩散 最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡 P型半导体和N型半导体结合面，形成PN结。 当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。 扩散电流等于漂移电流，PN结内没有电流流过。 二、 PN结的单向导电性 在 PN结的两端外加电压，破外原来的平衡状态。 加正向电压 电源正极接PN结的P端，负极接N端 P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置或正向接法。 加反向电压 电源负极接PN结的P端，正极接N端 (1) PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。 扩散电流源源不断进行，形成正向电流，PN结导通。 (2)PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场阻止扩散运动进行，加剧漂移运动，形成反向电流。 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。 现象： PN结外加正向电压，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流。 由此可以