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第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1概述概述 半导体半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物导电性能介于导体与绝缘体之间的物体体半导体材料半导体材料：Si和和Ge21.1 半导体材料及其特性半导体材料及其特性 半导体材料：半导体材料：族元素硅（族元素硅（Si）、锗（）、锗（Ge）III-V族元素的化合物砷化嫁（族元素的化合物砷化嫁（GaAs）等。）等。半导体材料特点：半导体材料特点：导电性能会随温度、光照或掺入某些杂质导电性能会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。而发生显著变化。导电能力可控。导电能力可控。3本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体。纯净的具有晶体结构的半导体。天然的硅和锗经提纯（天然的硅和锗经提纯（99.999%以上）即为本以上）即为本征半导体。征半导体。晶格晶格在本征在本征Si和和Ge的单晶中，原子在空的单晶中，原子在空间形成排列整齐的空间点阵。间形成排列整齐的空间点阵。4共价键结构共价键结构由于原子间相距很近，价由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，电子为相邻原子所共有，从而形成从而形成共价键共价键。这样四这样四个价电子与相邻的四个原个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合晶体中的原子紧密地结合在一起。在一起。单晶单晶Si和和Ge的共价键结构示意图的共价键结构示意图 5本征激发本征激发在绝对温度在绝对温度TII漂。漂。显然，正偏电压越大，显然，正偏电压越大，PN结内的电场越弱，越结结内的电场越弱，越结的扩散电流越大，外电路电流也越大。的扩散电流越大，外电路电流也越大。但在实际应用中，外加电压但在实际应用中，外加电压V不允许超过内建电压不允许超过内建电压，否则，过大的电流会在，否则，过大的电流会在P区和区和N区产生欧姆压降，会区产生欧姆压降，会导致导致PN结因发热而烧坏。在实际应用中为防止这种现结因发热而烧坏。在实际应用中为防止这种现象发生，通常在电路中串联一个小的限流电阻。象发生，通常在电路中串联一个小的限流电阻。正偏正偏PN结会产生随正向电压增大的正向电流，呈结会产生随正向电压增大的正向电流，呈现低阻状态，通常称正现低阻状态，通常称正PN结是导通的。结是导通的。33反向偏置的反向偏置的PN结（结（P负，负，N正）正）若外加直流电压使若外加直流电压使P区电位低于区电位低于N区电位，称区电位，称PN结加反向电压或反向偏置结加反向电压或反向偏置（简称反偏）。（简称反偏）。（a）内部结构示意图）内部结构示意图 （b）实用电路图）实用电路图 34（1）空间电荷层变宽；（）空间电荷层变宽；（2）位垒增高；）位垒增高；（3）I漂漂II扩。扩。反偏时反偏时PN结仅有很小的反向饱和电流。结仅有很小的反向饱和电流。PN结具有结具有单向导电特性：正偏导通，反偏截止单向导电特性：正偏导通，反偏截止35PN结的伏安特性结的伏安特性PN结的伏安特性是指流过结的伏安特性是指流过PN结的电流结的电流 与其端电压与其端电压 之间的关系。之间的关系。是加在是加在PN结上的端电压，结上的端电压，是流过是流过PN结上的电流。结上的电流。是热电压。是热电压。36正偏时的近似伏安特性正偏时的近似伏安特性 PN结的正偏伏安特性方程结的正偏伏安特性方程:PN结的正向电流随正偏电压的增大呈指数规结的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增加。律增加。37反偏伏安特性反偏伏安特性 PN结的反偏伏安特性方程结的反偏伏安特性方程:可见，可见，PN结反向电流不随反向偏压结反向电流不随反向偏压 而变而变化，仅有很小的反向饱和电流。化，仅有很小的反向饱和电流。38 当当 时时，正正向向电电流流 实实际际很很小小，不不能能认认为为PN结结真真正正导导通通；而而 当当以以后后，正正向向电电流流 急急剧剧增增大大，PN结结呈呈现现较较陡陡的的伏伏安安特特性性，即即正正偏偏PN结结存存在在着着一一个个导导通通电电压压 ，称称为为PN结结的的正正向向开开启启（死死区区或或门门限限）电电压压。硅硅PN结结导导通通电电压压的的典典型型值值为为0.7V，锗锗PN结结导导通电压的典型值为通电压的典型值为0.2V。导通电压（开启电压，死区电压）导通电压（开启电压，死区电压）39PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性 当加在当加在PN结上的反偏电压超过某一数值时，结上的反偏电压超过某一数值时，反偏电流将急剧增大，这种现象称为二极管反偏电流将急剧增大，这种现象称为二极管的反向击穿的反向击穿 40导致导致PN结出现反向击穿的原因有下面两种：结出现反向击穿的原因有下面两种：(一一)雪崩击穿雪崩击穿 发生条件：两个区低掺杂，外加电压高于发生条件：两个区低掺杂，外加电压高于30V。发生机理：发生机理：温度特性：正温度系数特性温度特性：正温度系数特性(二二)齐纳击穿齐纳击穿 发生条件：两个区高掺杂，外加电压低于发生条件：两个区高掺杂，外加电压低于6V.发生机理：发生机理：温度特性：负温度系数特性温度特性：负温度系数特性41温度对温度对PN结伏安特性的影响结伏安特性的影响 (一一)温度对温度对PN结正向特性的影响结正向特性的影响 (二二)温度对温度对PN结反向特性的影响结反向特性的影响42Si 材料材料PN结与结与Ge材料材料PN结伏安特性的差别结伏安特性的差别(一一)Si 的开启电压大于的开启电压大于Ge的开启电的开启电压。一般情况下压。一般情况下Si 的开启电压的开启电压约为约为 ，Ge的开启电的开启电压约为压约为 。(二二)Si 的反向电流比的反向电流比Ge的反向电流的反向电流小的多，小的多，Si 管是管是pA量级，量级，Ge管管是是A量级。这是因为在相同温量级。这是因为在相同温度下度下Ge的载流子浓度比的载流子浓度比Si的载的载流子浓度要高出约三个数量级，流子浓度要高出约三个数量级，所以在相同的掺杂浓度下所以在相同的掺杂浓度下Si的少的少子浓度比子浓度比Ge的少子浓度低的多，的少子浓度低的多，故故Si管的反向饱和电流很小。管的反向饱和电流很小。43PN 结的电容效应1.势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为效电容称为势垒电容势垒电容Cb。2.扩散电容(正偏时存在)PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为等效电容称为扩散电容扩散电容Cd。结电容：结电容：结电容不是常量！与外加电压有关结电容不是常量！与外加电压有关.由于由于Cj的存在，若的存在，若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！导电性！(why?)清华大学 华成英 问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？45