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半导体基础知识半导体基础知识 (4)1.1 什么是电子技术什么是电子技术1.2 本课程的性质、任务和重点内容本课程的性质、任务和重点内容1.3 本课程的特点和学习方法本课程的特点和学习方法 1.4 半导体基础知识半导体基础知识1 半导体基础知识半导体基础知识1.5 PN结结a. 体积小、重量轻。体积小、重量轻。e. 加电压不能太高。加电压不能太高。晶体管的主要特点晶体管的主要特点b. 寿命长、功耗低。寿命长、功耗低。c. 受温度变化的影响较大。受温度变化的影响较大。d. 过载能力较差。过载能力较差。19471947年年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管触型晶体管19481948年年 贝尔实验室的香农发表信息论的论文贝尔实验室的香农发表信息论的论文 英国采用英国采用EDSAGEDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机19491949年年 诺伊曼提出自动传输机的概念诺伊曼提出自动传输机的概念19501950年年 麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器19521952年年 美国爆炸第一颗氢弹美国爆炸第一颗氢弹19541954年年 贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅19571957年年 苏联发射第一颗人造地球卫星苏联发射第一颗人造地球卫星19581958年年 美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路成电路主要大事记主要大事记2电子电路电子电路 电子器件与电阻器、电感器、电容器、变压器、电子器件与电阻器、电感器、电容器、变压器、开关等元件适当地连接起来所组成的电路。开关等元件适当地连接起来所组成的电路。电子电路的主要特点电子电路的主要特点控制方便、工作灵敏、响应速度快等。控制方便、工作灵敏、响应速度快等。(3) 电子电路必须采用非线性电路的分析方法来分析电子电路必须采用非线性电路的分析方法来分析 电子电路与普通电路的主要区别电子电路与普通电路的主要区别(1) 电子电路包含有电子器件电子电路包含有电子器件(2) 电子器件的特性往往是非线性的电子器件的特性往往是非线性的电子电路电子电路分立电路分立电路集成电路集成电路分立电路分立电路 由各种单个的电子器件和元件构成的由各种单个的电子器件和元件构成的电路电路(3) 体积大，功耗大，可靠性低。体积大，功耗大，可靠性低。分立电路的主要特点分立电路的主要特点(1) 把许多元件和器件焊接在印制电路板上。把许多元件和器件焊接在印制电路板上。(2) 焊点多，容易造成虚焊。焊点多，容易造成虚焊。集成电路集成电路（ICintegrated circuit） 把许多晶体把许多晶体管与电阻等元件制作在同一块硅晶片上的电路管与电阻等元件制作在同一块硅晶片上的电路(1) 体积小，重量轻。体积小，重量轻。 集成电路的主要特点集成电路的主要特点(2) 功耗小。功耗小。(3) 可靠性高。可靠性高。(4) 寿命长。寿命长。世界上第一块集成电路在世界上第一块集成电路在1959年美国的德州仪器公年美国的德州仪器公司和西屋电气公司诞生，电路上仅集成了司和西屋电气公司诞生，电路上仅集成了4只晶体管。只晶体管。集成电路发展的历程集成电路发展的历程(1) 小规模集成电路小规模集成电路(2) 中规模集成电路中规模集成电路(3) 大规模集成电路大规模集成电路(4) 超大规模集成电路超大规模集成电路（5）特大规模集成电路）特大规模集成电路时时 期期规规 模模集成度集成度（元件数）（元件数）5050年代末年代末小规模集成电路（小规模集成电路（SSISSI）1001006060年代年代中规模集成电路（中规模集成电路（MSIMSI）100010007070年代年代大规模集成电路（大规模集成电路（LSILSI）100010007070年代末年代末超大规模集成电路（超大规模集成电路（VLSIVLSI）10000100008080年代年代特大规模集成电路（特大规模集成电路（ULSIULSI）100000100000 19851985年，年，1 1兆位兆位ULSIULSI的集成度达到的集成度达到200200万个元件，器件条宽仅万个元件，器件条宽仅为为1 1微米；微米；19921992年，年，1616兆位的芯片集成度达到了兆位的芯片集成度达到了32003200万个元件，万个元件，条宽减到条宽减到0.50.5微米，而后的微米，而后的6464兆位芯片，其条宽仅为兆位芯片，其条宽仅为0.30.3微米。微米。集成电路各阶段集成度集成电路各阶段集成度集成电路分类集成电路分类 集成电路制造技术的发展日新月异，其中最集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。们构成了现代数字系统的基石。可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLDPLD）微控制芯片（微控制芯片（MCUMCU）数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）大规模存储芯片（大规模存储芯片（RAM/ROMRAM/ROM）3电子技术应用电子技术应用有线载波通信、激光通信、光纤维通信等。有线载波通信、激光通信、光纤维通信等。特点：快速、灵敏、精确等。特点：快速、灵敏、精确等。(1) 通信系统通信系统无线电通信无线电通信(包括广播、电报、电视等包括广播、电报、电视等)、(2) 自动自动控制控制在自动化技术中，电子在自动化技术中，电子控制是后起之秀。控制是后起之秀。 (3) 测量方面的应用测量方面的应用电测量的主要特点电测量的主要特点a. 准确度和灵敏度高，测量范围广。准确度和灵敏度高，测量范围广。b. 可以智能化。可以智能化。c. 可以进行远距离测量。可以进行远距离测量。a. 电量测量电量测量b. 非电量电测量非电量电测量(4) 电子技术对计算机的发展电子技术对计算机的发展 20世纪世纪40年代第一台数字电子计算机的一些参数年代第一台数字电子计算机的一些参数b.功率功率130 kWa. 使用了使用了18,000个电子管个电子管c. 质量达质量达30 td.占地约占地约150 m2e. 运算速度约运算速度约5000 次次/秒秒f. 故障率高故障率高现代微型计算机的主要特点现代微型计算机的主要特点a. 采用了大规模和超大规模集成电路采用了大规模和超大规模集成电路b. 功耗低功耗低c. 体积小体积小d. 重量轻重量轻e. 运算速度快运算速度快f. 功能强大功能强大(5) 电子技术对汽车电子化的发展电子技术对汽车电子化的发展 1960年年1974年，汽车发动机开始采用年，汽车发动机开始采用半导体式点火装置代替机械式触发点火。半导体式点火装置代替机械式触发点火。 1974年年1990年，汽车发动机开始大量年，汽车发动机开始大量使用集成电路和使用集成电路和16位微处理器。位微处理器。1990年以后汽车电子向智能化和网络化发展。年以后汽车电子向智能化和网络化发展。例如电子燃油喷射系统、防抱死制动系统、安全气囊系统等。例如电子燃油喷射系统、防抱死制动系统、安全气囊系统等。 对前面课程的要求对前面课程的要求1 信号的表达方式信号的表达方式2 电阻的串并联，电压分压，电流分流电阻的串并联，电压分压，电流分流3 戴维南定理及诺顿定理及其相互转换戴维南定理及诺顿定理及其相互转换4 电路中的电位电路中的电位5 受控电源受控电源6 交直流计算问题交直流计算问题7 KVL KCL1.2 本课程的性质、任务和重点内容本课程的性质、任务和重点内容1本课程的性质与任务本课程的性质与任务性质性质: : 是电子技术方面入门性质的技术基础课。是电子技术方面入门性质的技术基础课。 任务：是使学生获得电子技术方面的任务：是使学生获得电子技术方面的基本理论、基本理论、 基本知识和基本技能（简称基本知识和基本技能（简称“三基三基”）。体系结构体系结构是指电子电路的基本分析方法。是指电子电路的基本分析方法。 是指基本的电子器件和电子电路的性能以及其主是指基本的电子器件和电子电路的性能以及其主 要应用。要应用。 是指电子测试技术、电子电路的分析计算能力和是指电子测试技术、电子电路的分析计算能力和 识图能力。识图能力。基本技能基本技能基本知识基本知识基本理论基本理论(1) 电子器件，包括集成电路。电子器件，包括集成电路。不深入讨论器件内部微观的物理过程及生产工艺不深入讨论器件内部微观的物理过程及生产工艺本课程的基本内容本课程的基本内容 学习的重点学习的重点a. 掌握电子器件的外部特性掌握电子器件的外部特性b. 掌握电子器件在电路中的基本应用掌握电子器件在电路中的基本应用注意的事项注意的事项2课程内容的重点课程内容的重点(2) 电路电路学习的重点学习的重点(a) 最基本的电路结构最基本的电路结构(b) 电路的工作原理电路的工作原理(c) 电路的分析方法电路的分析方法(d) 电路的组合规律电路的组合规律(e) 典型应用电路典型应用电路(3) 器件、电路、应用三者学习的关系器件、电路、应用三者学习的关系管、路、用结合，管为路用，以路为主。管、路、用结合，管为路用，以路为主。 (b) 分立电路仍然是电子电路中最核心的电路。分立电路仍然是电子电路中最核心的电路。(4) 分立电路与集成电路的关系分立电路与集成电路的关系(a) 分立电路逐渐被集成电路所替代。分立电路逐渐被集成电路所替代。(c) 分立电路是集成电路中的基本单元电路。分立电路是集成电路中的基本单元电路。(d) 分立为基础，集成是重点，分立为集成服务。分立为基础，集成是重点，分立为集成服务。(5) 电路的分类电路的分类按照处理信号的不同按照处理信号的不同模拟电路模拟电路数字电路数字电路两类电路的主要区别两类电路的主要区别a.电路中信号电路中信号模拟电路模拟电路数字电路数字电路信号波形是连续变化的信号波形是连续变化的信号波形是跃变的信号波形是跃变的 b. 电路中电子器件的工作状态电路中电子器件的工作状态模拟电路模拟电路数字电路数字电路电子器件工作在放大状态电子器件工作在放大状态电子器件工作在开关状态电子器件工作在开关状态1.3 本课程的特点和学习方法本课程的特点和学习方法 1. 本课程的主要特点本课程的主要特点d. 电路种类多。电路种类多。a. 内容比较庞杂。内容比较庞杂。b. 技术术语多。技术术语多。c. 基本概念多。基本概念多。e. 课程的难点都集中在前几章，初学者都会有课程的难点都集中在前几章，初学者都会有 “ “入门难入门难”的感觉。的感觉。(1) 注重物理概念注重物理概念(2) 采用工程观点采用工程观点2. 本课程的学习方法本课程的学习方法实际工程问题的特点实际工程问题的特点a. 电子器件的特性具有分散性电子器件的特性具有分散性b. 元器件的实际参数值与标称值有一定的偏差元器件的实际参数值与标称值有一定的偏差d. 难以进行精确计算难以进行精确计算c. 实际参数值受环境温度等因素的影响而偏离设计值实际参数值受环境温度等因素的影响而偏离设计值实际工程问题的算法实际工程问题的算法估算法估算法a. 忽略一些次要的因素。忽略一些次要的因素。b. 采用简化的工程模型。采用简化的工程模型。工程问题合理估算的依据工程问题合理估算的依据估算结果所产生的误差应不超过估算结果所产生的误差应不超过10%c. 有些实际问题的简化处理往往是经验，或者由实有些实际问题的简化处理往往是经验，或者由实验证明而得出的结论。验证明而得出的结论。工程估算的目的工程估算的目的a. 不是为了获得精确的结果。不是为了获得精确的结果。b. 而是为了获得清晰的、定性的概念和结论。而是为了获得清晰的、定性的概念和结论。c. 利用获得概念和结论，进一步指导电路和系统的利用获得概念和结论，进一步指导电路和系统的 设计和实验。设计和实验。1.4 1.4 半导体基础知识半导体基础知识 自然界中，很容易导电的物质成为导体，金属一般自然界中，很容易导电的物质成为导体，金属一般都是导体有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮，都是导体有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮，陶瓷，塑料和石英，另外有一类物质的陶瓷，塑料和石英，另外有一类物质的导电特性处于导导电特性处于导体和绝缘体之间体和绝缘体之间，称为半导体。，称为半导体。导电能力导电能力( (电阻率电阻率) )导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 (1)(1)热敏性热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。敏性可制成热敏元件。(2)(2)光敏性光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。件。(3)(3)掺杂性掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。影响极大，称为掺杂性。 典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。热敏性热敏性光敏性光敏性掺杂性掺杂性主要特性主要特性 热敏电阻热敏电阻 光电二极管和光电三极管及光敏电阻光电二极管和光电三极管及光敏电阻 二极管、三极管、场效应管二极管、三极管、场效应管半导体特性半导体特性 +4价电子价电子硅和锗的原子结构及简化模型硅和锗的原子结构及简化模型+4典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。1.4.1 1.4.1 本征半导体本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为常称为“九个九个9”。 把硅和锗材料制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电子把硅和锗材料制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电子成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上，即价电子不仅受到自身原子核的作用现在相邻原子所属的轨道上，即价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原子核的吸引。于是，相邻的原子共有一对价电，同时还受到相邻原子核的吸引。于是，相邻的原子共有一对价电子，组成子，组成共价键结构共价键结构。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+41.本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构1.本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构在绝对温度在绝对温度T=0K时时，所有的价电子都紧紧，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，束缚在共价键中，不会成为自由电子不会成为自由电子，因此本征因此本征半导体的导电能力很弱，半导体的导电能力很弱，接近绝缘体接近绝缘体。2.本征半导体的两种载流子本征半导体的两种载流子 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当当温度升高或受到温度升高或受到光的照射时光的照射时，束缚，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。空穴空穴 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温温度越高），产生的电子度越高），产生的电子空穴对越多。空穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104.1锗：锗：313cm105.2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 逆电场运动逆电场运动 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E E载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 顺电场运动顺电场运动 空穴流空穴流本征半导体的导电性本征半导体的导电性取决于外加能量取决于外加能量： 温度变化温度变化-导电性变化；光照变化导电性变化；光照变化-导电性变化。导电性变化。导电机制导电机制 由此可见：由此可见： 半导体中存在两种载流子，带负电的自由电子和半导体中存在两种载流子，带负电的自由电子和带正电的空穴。带正电的空穴。 空穴和自由电子是成对产生的，因此，它们的空穴和自由电子是成对产生的，因此，它们的浓浓度是相等度是相等的。的。 本征半导体的导电性能很差，而且和环境温度密本征半导体的导电性能很差，而且和环境温度密切相关。切相关。 本征半导体材料性能对温度的这种敏感性，本征半导体材料性能对温度的这种敏感性，既可既可以以用来制作热敏元件和光敏元件，用来制作热敏元件和光敏元件，又是又是造成半导体造成半导体器件温度性能差的原因。器件温度性能差的原因。1.4.2 1.4.2 杂质半导体杂质半导体 在在本征半导体本征半导体中掺入某些中掺入某些微量杂质元素微量杂质元素。 用掺杂的方法来增加载流子的浓度。用掺杂的方法来增加载流子的浓度。(1)(1) N N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N N型半导体型半导体。 N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对c. 电子是多数载流子，简称多子电子是多数载流子，简称多子; ;空穴是少数载流空穴是少数载流 子，简称少子。子，简称少子。e. 因电子带负电，称这种半导体为因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或型或 电子型半导体。电子型半导体。f. 因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。b. N型半导体中型半导体中产生了大量的产生了大量的( (自由）电子和正离子自由）电子和正离子。小结小结d. np nn=K(T)a. N型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质掺入少量五价杂质 元素形成的。元素形成的。 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对(2)(2) P型半导体型半导体c. 空穴是多数载流子空穴是多数载流子, ,电子是少数载流子。电子是少数载流子。e. 因空穴带正电，称这种半导体为因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或型或 空穴型半导体。空穴型半导体。f. 因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。a. P型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价掺入少量的三价 杂质元素形成的。杂质元素形成的。b. P型半导体型半导体产生大量的空穴和负离子产生大量的空穴和负离子。小结小结d. np nn=K(T) 杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入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，即的杂质浓度，即每掺入一个杂质原子就可以增加一每掺入一个杂质原子就可以增加一个多数载流子。个多数载流子。 由于由于少数载流子是半导体材料本征激发产生的，少数载流子是半导体材料本征激发产生的，因而其浓度主要取决于因而其浓度主要取决于温度。温度。当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将将N型转为型转为P型；型；杂质半导体的转型杂质半导体的转型当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将将P型转为型转为N型。型。1.4.3载流子的漂移运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动 外加电场作用下载流子的定向（顺外加电场作用下载流子的定向（顺/逆电场逆电场方向）移动方向）移动漂移运动漂移运动/ /漂移电流漂移电流 载流子基于浓度差异和随机热运动速载流子基于浓度差异和随机热运动速度的移动度的移动扩散扩散/ /扩散电流扩散电流内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。P P、N N结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层1.5 1.5 PN结结 1.5.1 PN结的形成结的形成 少子漂移少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V当扩散与漂移作用平衡时当扩散与漂移作用平衡时a. 流过流过PN结的净电流为零结的净电流为零b. PN结的厚度一定（约几个微米）结的厚度一定（约几个微米）c. 接触电位一定（约零点几伏）接触电位一定（约零点几伏）P型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层1.5.2 PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本征激在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，发产生的少子浓度是一定的，故故IR基本上与外加反压的大小基本上与外加反压的大小无关无关，所以称为所以称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。 PN结的电压与电流关系结的电压与电流关系) 1(TUuSeIi+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场EIS PN结反向饱和电流结反向饱和电流UT 热电压热电压)1e (S TUuIi式中式中UT=KT / qq 电子电量电子电量T 绝对温度绝对温度mV26 TU在室温（在室温（T=300K) )时时， UT=26mv 。K 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数其中其中 1.5.3 PN结的击穿和电容效应结的击穿和电容效应 当的反向电压增加到一定数值时，反向电流突当的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为然快速增加，此现象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿（大电流）热击穿（大电流）不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆a. 齐纳击穿齐纳击穿 产生击穿的机理产生击穿的机理半导体的掺杂浓度高半导体的掺杂浓度高击穿电压低于击穿电压低于4V击穿电压具有负的温度系数击穿电压具有负的温度系数空间电荷层中有较强的电场空间电荷层中有较强的电场电场将电场将PN结结中中的价电子从共价键中激发出来的价电子从共价键中激发出来击穿的机理击穿的机理条件条件击穿的特点击穿的特点半导体的掺杂浓度低半导体的掺杂浓度低击穿电压高于击穿电压高于6V击穿电压具有正的温度系数击穿电压具有正的温度系数空间电荷区中就有较强的电场空间电荷区中就有较强的电场电场使电场使PN结中的少子结中的少子“碰撞电离碰撞电离”共价键中的价电子共价键中的价电子击穿的机理击穿的机理条件条件击穿的的特点击穿的的特点b. 雪崩击穿雪崩击穿3. PN结的电容效应结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。因素决定。 一是势垒电容一是势垒电容Cb ， 二是扩散电容二是扩散电容Cd 。(1) 势垒势垒电容电容Cb 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加当外加反向电压（漂移）反向电压（漂移）使使PN结上压降发生变化时，结上压降发生变化时，耗尽层的厚度耗尽层的厚度也相应地随之改变，这相当也相应地随之改变，这相当PN结中存储的结中存储的电电荷量荷量也随之变化，犹如电容的充放电（变容二极管）。也随之变化，犹如电容的充放电（变容二极管）。 PN结结正偏正偏时，由时，由N区区扩散到扩散到P区的电子（区的电子（非平衡非平衡少子少子），与），与外电源外电源提供的提供的空穴相复合，形成空穴相复合，形成正向电正向电流流。刚扩散过来的电子就。刚扩散过来的电子就堆积在堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的结的附近，到远离交界面处，附近，到远离交界面处，形成一定的形成一定的浓度梯度浓度梯度分布分布曲线。电压增大，正向（曲线。电压增大，正向（扩散）电流增大。扩散）电流增大。(2) 扩散扩散电容电容Cd扩散电容示意图扩散电容是由扩散电容是由多子扩散多子扩散后，在后，在PN结的结的另一侧面另一侧面积累而形成的。积累而形成的。本章小结本章小结1. 本征半导体及其特点本征半导体及其特点 纯净的半导体称为本征半导体。在热纯净的半导体称为本征半导体。在热“激发激发”条件下，本征条件下，本征半导体中的电子和空穴是成对产生的；当电子和空穴相遇半导体中的电子和空穴是成对产生的；当电子和空穴相遇“复复合合”时，也成对消失；电子和空穴都是载流子；温度越高，时，也成对消失；电子和空穴都是载流子；温度越高，“电子电子空穴空穴”对越多；在室温下，对越多；在室温下，“电子电子空穴空穴”对少，故对少，故电阻率大。电阻率大。 （ 1 1 ） N N 型半导体：在本征硅或锗中掺入适量五价元素形成型半导体：在本征硅或锗中掺入适量五价元素形成 N N 型半导体，型半导体， N N 型半导体中电子为多子，空穴为少子；电子型半导体中电子为多子，空穴为少子；电子的数目（掺杂的数目（掺杂 + + 热激发）热激发） = = 空穴的数目（热激发）空穴的数目（热激发） + + 正粒正粒子数；半导体对外仍呈电中性。子数；半导体对外仍呈电中性。（ 2 ） P 型半导体：在本征硅或锗中掺入适量三价元素，形成型半导体：在本征硅或锗中掺入适量三价元素，形成 P 型半导体，其空穴为多子，电子为少子；空穴的数目（掺杂型半导体，其空穴为多子，电子为少子；空穴的数目（掺杂 + 热热激发）激发） = 电子的数目（热激发）电子的数目（热激发） + 负粒子数；对外呈电中性。在负粒子数；对外呈电中性。在本征半导体中，掺入适量杂质元素，就可以形成大量的多子，所本征半导体中，掺入适量杂质元素，就可以形成大量的多子，所以掺杂半导体的电阻率小，导电能力强。以掺杂半导体的电阻率小，导电能力强。当当 N 型半导体中再掺入更高密度的三价杂质元素，可转型为型半导体中再掺入更高密度的三价杂质元素，可转型为 P 型半导体；反之，型半导体；反之， P 型半导体也可通过掺入足够的五价元素而型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为转型为 N 型半导体。型半导体。 2. 掺杂半导体及其特点掺杂半导体及其特点 （ 1 1 ）漂移电流：在电场作用下，载流子定向运动所形成的电）漂移电流：在电场作用下，载流子定向运动所形成的电流则称为漂移电流。流则称为漂移电流。（ 2 2 ）扩散电流：同一种载流子从浓度高处向浓度低处扩散所）扩散电流：同一种载流子从浓度高处向浓度低处扩散所形成的电流为扩散电流。形成的电流为扩散电流。 3. 半导体中的两种电流半导体中的两种电流通过一定的工艺，在同一块半导体基片的一边掺杂成通过一定的工艺，在同一块半导体基片的一边掺杂成 P 型，另一边掺杂成型，另一边掺杂成 N 型，型， P 型和型和 N 型的交界面处会形成型的交界面处会形成 PN 结。结。P 区和区和 N 区中的载流子存在一定的浓度差，浓度差使多子区中的载流子存在一定的浓度差，浓度差使多子向另一边扩散，从而产生了空间电荷和内电场；内电场将阻多向另一边扩散，从而产生了空间电荷和内电场；内电场将阻多子止扩散而促进少子漂移；当扩散与漂移达到动态平衡时，交子止扩散而促进少子漂移；当扩散与漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷层（或势垒区、耗尽层），即界面上就会形成稳定的空间电荷层（或势垒区、耗尽层），即 PN 结形成。结形成。 4. PN 结的形成结的形成PN 结正向偏置时，空间电荷层变窄，内电场变弱，扩散大结正向偏置时，空间电荷层变窄，内电场变弱，扩散大于漂移，正向电流很大（多子扩散形成），于漂移，正向电流很大（多子扩散形成）， PN 结呈现为低电阻，结呈现为低电阻，称为正向导通。正向压降很小，且随温度上升而减小。称为正向导通。正向压降很小，且随温度上升而减小。PN 结反向偏置时，空间电荷层变宽，内电场增强，漂移大结反向偏置时，空间电荷层变宽，内电场增强，漂移大于扩散，反向电流很小（少子漂移形成），于扩散，反向电流很小（少子漂移形成）， PN 结呈现为高电阻，结呈现为高电阻，称为反向截止。反偏电压在一定范围内，反向电流基本不变（也称为反向截止。反偏电压在一定范围内，反向电流基本不变（也称为反向饱和电流），且随温度上升而增大。称为反向饱和电流），且随温度上升而增大。 5. PN 结的单向导电性结的单向导电性（1）势垒电容）势垒电容CB：当外加在：当外加在PN结两端的电压发生变化时，结两端的电压发生变化时，空间电荷层中的电荷量会发生变化，这一现象是一种电容效应，空间电荷层中的电荷量会发生变化，这一现象是一种电容效应，称为势垒电容。称为势垒电容。CB是非线性电容。是非线性电容。（2）扩散电容）扩散电容CD：当：当PN结正向偏置时，多子扩散到对方区结正向偏置时，多子扩散到对方区域后，在域后，在PN结边界附近有积累，并会有一定的浓度梯度。积结边界附近有积累，并会有一定的浓度梯度。积累的电荷量也会随外加电压变化，引起电容效应，称为扩散电累的电荷量也会随外加电压变化，引起电容效应，称为扩散电容。容。CD也是非线性电容。也是非线性电容。6. PN 结的电容特性结的电容特性73 结束语结束语