《半导体基本知识》PPT课件.ppt

半导体的基本知识1.1.本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性2.2.杂质半导体杂质半导体3.3.杂质对导电性的影响杂质对导电性的影响 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分导体、的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。典型的半导体有硅典型的半导体有硅Si和锗和锗Ge以及砷化镓以及砷化镓GaAs等。等。1.1.本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性(1)(1)本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构(2)(2)电子空穴对电子空穴对 (3)(3)空穴的移动空穴的移动 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。(1）本征半导体的共价键结构 基本概念：基本概念：价电子价电子 共价键结构共价键结构 图图1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b)共价键结构平面示意图共价键结构平面示意图(c)（2 2）电子空穴对）电子空穴对 基本概念：基本概念：本征激发本征激发 自由电子自由电子 空穴（载流子）空穴（载流子）复合复合 图图2 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程 (3)(3)空穴的移动空穴的移动 自由电子和空穴的定向运动形成了电流自由电子和空穴的定向运动形成了电流图图3 空穴在晶格中的移动空穴在晶格中的移动在本征半导体中：在本征半导体中：1、电子、空穴成对出现、电子、空穴成对出现2、均参与导电、均参与导电 3、电子、空穴对的数目与温度成指数关系电子、空穴对的数目与温度成指数关系2.2.杂质半导体杂质半导体(1)N(1)N型半导体型半导体(2)P(2)P型半导体型半导体杂质半导体：杂质半导体：本征半导体中掺入某些微量元素本征半导体中掺入某些微量元素 作为杂质作为杂质(1(1）N型半导体型半导体 N N型半导体（电子型半导体）：型半导体（电子型半导体）：在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷。图图4 N型半导体结构示意图型半导体结构示意图(2)P型半导体型半导体 P型半导体型半导体(空穴型半导体空穴型半导体):在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟。图图 5 P型型 半半 导导 体体 的的 结结 构构 示示 意意 图图在杂质半导体中：在杂质半导体中：N型：电子数（型：电子数（n）空穴数（空穴数（p）P型：空穴数（型：空穴数（p）电子数（电子数（n）3.3.杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3PN结结1.PN1.PN结的形成结的形成2.PN2.PN结的单向导电性结的单向导电性3.PN3.PN结的电容效应结的电容效应1.PN结的形成 本征半导体两本征半导体两侧通过扩散不同的侧通过扩散不同的杂质杂质,分别形成分别形成N N型型半导体和半导体和P P型半导型半导体。体。在结合面上形在结合面上形成成PN结。结。图图6 PN结的形成过程结的形成过程 最后最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在空多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂内电场促使少子漂移移 内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散2.PN2.PN结的单向导电性结的单向导电性（1 1）什么是单向导电性）什么是单向导电性（2 2）单向导电性的机理）单向导电性的机理(1)PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况图图7 7 PN结加正向电压结加正向电压时的导电情况时的导电情况PN结呈现低阻性结呈现低阻性。扩散电流加大扩散电流加大削弱了内电场。削弱了内电场。外加的正向电压外加的正向电压PN结内电场结内电场(2)PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 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 图 8 PN结加反向电压时的导电情况PN结呈现高阻性结呈现高阻性扩散电流减小扩散电流减小加强了内电场加强了内电场外加的反向电压外加的反向电压PN结内电场结内电场3.PN结的电容效应结的电容效应1.势垒电容势垒电容CB2.扩散电容扩散电容CD(1)势垒电容势垒电容CB图图9 势垒电容示意图势垒电容示意图外加电压变化外加电压变化空间电荷区的厚度改变空间电荷区的厚度改变多子浓度梯度变化多子浓度梯度变化(2)扩散电容扩散电容CD外加正向电压变化外加正向电压变化 图图 10 10 扩散电容示意图扩散电容示意图 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图01.11（a）、（b）、（c）所示。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(3)平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。双极型半导体三极管双极型半导体三极管1、双极型半导体三极管的结构2、双极型半导体三极管电流的分配与控制3、双极型半导体三极管的电流关系1.1.双极型半导体三极管的结构双极型半导体三极管的结构 图图 两种极性的双极型三极管两种极性的双极型三极管e-b间的PN结称为发射结(Je)c-b间的PN结称为集电结(Jc)中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。1、发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。2、发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低低;集电结面积大集电结面积大;基区要制造得很薄。基区要制造得很薄。图：三极管符号图：三极管符号2.三极管的电流分配与控制图图 三极管的电流传输关系三极管的电流传输关系放大工作状态：发射结加正向电压，集电结放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。加反向电压。工作时一定要加上适当的直流偏置电压。工作时一定要加上适当的直流偏置电压。IE=IEN+IEP 且有且有IENIEP IEN=ICN+IBN 且有且有IEN IBN ，ICNIBN IC=ICN+ICBO IB=IEP+IBNICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO)IE=IC+IB3 3、双极型半导体三极管的电流关系、双极型半导体三极管的电流关系 (1)(1)三种组态三种组态 共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示;共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；三极管的三种组态三极管的三种组态(2)(2)三极管的电流放大系数三极管的电流放大系数 称为称为共基极直流电流放大系数。共基极直流电流放大系数。IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO因 1,所以 1定义定义:=IC/IB=(ICN+ICBO)/IB称为称为共发射极接法直流电流放大系数共发射极接法直流电流放大系数。于是于是2.金属氧化物半导体三极管金属氧化物半导体三极管MOSFET 1.结型场效应三极管结型场效应三极管JFET 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道场效应半导体三极管场效应半导体三极管(1)(1)N沟道增强型沟道增强型MOSFET 结构 图图 N沟道增强型沟道增强型 MOSFET结结 构示意图构示意图工作原理工作原理 1栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用(2)0VGSVT VT 称为开启电压称为开启电压(3)VGSVT(1)VGS=0反型层 增强型MOS管2 2漏源电压漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS漏源电压漏源电压VDS对沟道的影响对沟道的影响(1)VDS为为0或较小时或较小时 (VGSVT)(2)VDS增加增加 VGD=VT (3)VDS增加增加 VGD VT(1)VDS 0，VGS=0，ID不等于不等于0。（2）VGS0时，时，ID 。（3）VGS0时，时，ID 。(2)(2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET图图 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的结构的结构 (3)P(3)P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。