最新半导体基本器件及应用电路78008PPT课件.ppt
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1、4 4 4 5 4 4 4 4 4 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入 5 5 价价元元素素的的杂杂质质(砷砷、磷磷、锑锑)就就成成为为 NN 型型杂杂质质半半导导体体。杂杂质质原原子子能能提提供供多多余余电电子子称称为为施施主主杂杂质质 多多余余电电子子位位于于施施主主能能级级 (进进入入导导带带)成成为为自自由由电电子子室温T=300k电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带施施主主能能级级+N型型杂杂质质半半导导体体的的特特点点:1 1、 与与本本征征激激发发不不同同,施施主主原原子子在在提提供供多多余余电电子子的的同同时时并并不不产产生生空空穴穴,而而成成为为正正离离子子被被束束
2、缚缚在在晶晶格格结结构构中中,不不能能自自由由移移动动,不不起起导导电电作作用用。2 2、在在室室温温下下,多多余余电电子子全全部部被被激激发发为为自自由由电电子子,故故NN型型半半导导体体中中自自由由电电子子数数目目很很高高(浓浓度度大大), ,主主要要靠靠电电子子导导电电。称称为为电电子子半半导导体体。3 3、在、在 NN 型半导体中同样也有本征激发产生的电子空型半导体中同样也有本征激发产生的电子空穴对,但数量很小,自由电子浓度远大于空穴浓度。穴对,但数量很小,自由电子浓度远大于空穴浓度。+在在NN型型半半导导体体中中:自自由由电电子子多多数数载载流流子子( 多多子子) 。且且多多数数载载
3、流流子子浓浓度度ni空空穴穴少少数数载载流流子子(少少子子 ) 。 少少数数载载流流子子浓浓度度pi+5电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带受受主主能能级级- 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入 3 3 价价元元素素 (如如 B 硼硼) ,就就成成为为 P P 型型半半导导体体。3 价价 杂杂 质质 原原 子子 接接 受受 电电 子子 负负 离离 子子 受受 主主 杂杂 质质 ( acceptor impurity) ( 受受 主主 原原 子子 ) 位位 于于 受受 主主 能能 级级 产产生生 空空 位位 ( 位位 于于 价价 带带 )室 温T=300k带带负负电电离离子子与与带带正
4、正电电空空穴穴间间有有吸吸引引力力,即即空空穴穴是是受受束束缚缚的的,只只能能在在负负离离子子附附近近活活动动。但但只只要要赋赋予予它它一一定定的的能能量量,它它挣挣脱脱束束缚缚运运动动到到远远离离负负离离子子的的地地方方,该该空空穴穴就就和和本本征征激激发发产产生生的的空空穴穴一一样样可可以以自自由由运运动动。对对半半导导体体的的导导电电有有贡贡献献。杂杂 质质 产产 生生( 空 位)受受主主 能能 级级 在在 价价 带带 中中形形 成成 空空 穴穴 晶晶格格 中中 留留 下下 负负 离离 子子接受电子P型型半半导导体体的的特特点点:1 1、 与与本本征征激激发发不不同同。受受主主原原子子接
5、接受受电电子子在在价价带带中中产产生生一一个个空空穴穴,但但并并不不在在导导带带中中产产生生电电子子,而而在在晶晶格格中中留留下下一一个个负负离离子子。负负离离子子不不能能自自由由移移动动,不不起起导导电电作作用用。2 2 在在室室温温下下3 3价价受受主主原原子子产产生生的的空空位位全全部部可可被被激激发发为为价价带带中中的的空空穴穴,故故P P型型半半导导体体中中空空穴穴数数很很高高,主主要要靠靠空空穴穴导导电电。称称为为空空穴穴半半导导体体。4 4 4 3 4 4 4 4 4 -3 3 P P型型半半导导体体中中也也有有本本征征激激发发而而产产生生电电子子空空穴穴对对,但但由由于于复复合
6、合作作用用,电电子子数数目目很很小小,空空穴穴的的浓浓度度远远大大于于电电子子浓浓度度。P P 型型半半导导体体: 多多子子 空空穴穴 且且:多多子子浓浓度度pi 少少子子 电电子子 少少子子浓浓度度ni本征半导体中载流子由本征激发产生:本征半导体中载流子由本征激发产生:ni=pi掺杂半导体中(掺杂半导体中(N or P)掺杂越多掺杂越多多子浓度多子浓度少子浓度少子浓度杂质半导体载流子由两个过程产生杂质半导体载流子由两个过程产生: 杂质电离杂质电离多子多子 本征激发本征激发少子少子由半导体理论可以证明,两种载流子的浓度满足以下关系:由半导体理论可以证明,两种载流子的浓度满足以下关系:1 热平衡
7、条件:热平衡条件:温度一定时,两种载流子浓度积之,等于本征浓度的平方。温度一定时,两种载流子浓度积之,等于本征浓度的平方。NN型半导体:若以型半导体:若以nn表示电子(多子),表示电子(多子),pn表示空穴(少子)表示空穴(少子) 则有则有 nn.pn=ni2P P型半导体:型半导体:pp表示空穴(多子)表示空穴(多子),np表示电子浓度(少子)表示电子浓度(少子) Pp.np=ni22 电中性条件:电中性条件:整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。 N N型:型: No表示施主杂质浓度表示施主杂质浓度,则:则:nn=No+pn P P型:型: NA表示受主杂
8、质浓度表示受主杂质浓度, Pp=NA+np由于一般总有由于一般总有Nopn NAnp 所以有所以有 NN型:型:nnNo 且:且: pn ni2/ND P P型:型:ppNA npni2/NA 多子浓度等于掺杂浓度多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度少子浓度与本征浓度n ni i2 2有关,有关, 与温度无关与温度无关 随温度升高而增加,是半导体随温度升高而增加,是半导体 元件温度漂移的主要原因元件温度漂移的主要原因多子浓度少子浓度半导体中有两种载流子:电子和空穴,这两种载流子的定向运动会引起导半导体中有两种载流子:电子和空穴,这两种载流子的定向运动会引起导 电电流。电电流。引起载流子定向
9、运动的原因有两种:引起载流子定向运动的原因有两种:由于电场而引起的定向运动由于电场而引起的定向运动漂移运动。(漂移电流)漂移运动。(漂移电流)由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动扩散运动(扩散电流)扩散运动(扩散电流)(一)漂移电流(一)漂移电流(drift current) 在电子浓度为在电子浓度为n,空穴浓度为空穴浓度为p的半导体两端外加电压的半导体两端外加电压V,在电场,在电场E的作用的作用下,下,空穴将沿电场方向运动空穴将沿电场方向运动,电子将沿与电场相反方向运动电子将沿与电场相反方向运动:EV空空穴穴的的平平均均漂漂移移速速度度:vp=up.E电电
10、子子的的平平均均漂漂移移速速度度:vn=-un.E其其中中 up和 un为为空空穴穴和和电电子子的的迁迁移移率率(单单位位电电场场强强度度下下载载流流子子的的平平均均漂漂移移速速度度)所所以以 空空穴穴的的电电流流密密度度:Jpt=q.p.vp=up.q.p.E 电电子子的的电电流流密密度度:Jnt=-q.n.vn=un.q.n.E 其其中中q为为电电子子电电荷荷量量总总的的漂漂移移电电流流密密度度:Jt=Jpt+Jnt=(up.p+un.n)qE载流子注入载流子注入光照的作用光照的作用非平衡载流子非平衡载流子 载流子浓度梯度载流子浓度梯度扩散运动扩散运动扩散电流扩散电流扩扩散散电电流流是是半
11、半导导体体中中载载流流子子的的一一种种特特殊殊运运动动形形式式,是是由由于于载载流流子子的的浓浓度度差差而而引引起起的的,扩扩散散运运动动总总是是从从浓浓度度高高的的区区域域向向浓浓度度小小的的区区域域进进行行,光光照照 N型半导体xn (x)p (x)载流子浓度载流子浓度热平衡值热平衡值热平衡值热平衡值x若若用用dx)x(dp,dx)x(dn表表示示非非平平衡衡空空穴穴和和电电子子的的浓浓度度梯梯度度,则则沿沿X方方向向的的扩扩散散电电流流密密度度分分别别为为: Jpo=-qDpdx)x(dpJno=-(-q) Dndx)x(dn=qDndx)x(dn式式中中 DP和和 Dn为为空空穴穴和和
12、电电子子扩扩散散系系数数(单单位位 cm2/s)上式表示:上式表示:空穴扩散中电流与空穴扩散中电流与x方向相同方向相同 电子扩散电流与电子扩散电流与x方向相反方向相反 (因为dx)x(dp0,dx)x(dn0)NP+- 在在一一块块 N 型型半半导导体体(or P type) ,用用杂杂质质补补偿偿的的方方法法掺掺入入一一定定数数量量的的 3 3 价价元元素素(o or r 5 5 价价元元素素)将将这这一一部部分分区区域域转转换换成成 P P 型型(或或 NN 型型) ,则则在在它它们们的的界界面面处处便便生生成成 PN 结结。PN 结结是是晶晶体体二二极极管管及及其其它它半半导导体体的的基
13、基本本结结构构,在在集集成成电电路路中中极极其其重重要要。ENP+-1.2.1 PN结的形成及特点结的形成及特点(一) 空空间间电电荷荷区区(space charge region) 在在NN型型和和P P型型半半导导体体的的界界面面两两侧侧,明明显显地地存存在在着着电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度差差,导导致致载载流流子子的的扩扩散散运运动动:P P型型半半导导体体中中空空穴穴NN 区区扩扩散散与与NN 区区中中电电子子复复合合 P P区区留留下下负负离离子子NN区区生生成成正正离离子子 NN 型型半半导导体体中中电电子子(多多子子)P P 区区扩扩散散与与 P P 区区空空穴穴复复合合 N
14、N 区区留留下下正正离离子子P P 区区生生成成负负离离子子。 NN 区区则则为为正正 P P 区区则则为为负负形形成成内内建建电电场场 E伴伴随随着着扩扩散散和和复复合合运运动动在在PN结结界界面面附附近近形形成成一一个个空空间间电电荷荷区区: 内内建建电电场场 形形成成少少子子的的漂漂移移运运动动 NN区区中中空空穴穴P P区区 P P区区中中电电子子NN区区消弱消弱内建电场内建电场ENP+-ENP+- 显显然然半半导导体体中中多多子子的的扩扩散散运运动动和和少少子子的的漂漂移移运运动动是是一一对对矛矛盾盾运运动动的的两两个个方方面面:多多 子子 扩扩 散散 运运 动动空空间间电电荷荷区区
15、 内内建建电电场场E E少少子子漂漂移移结结果果:多多子子扩扩散散运运动动 少少子子的的漂漂移移 扩扩散散电电流流 漂漂移移电电流流热平衡(动态平衡)热平衡(动态平衡) PN 结结中中总总电电流流为为零零。空空间间电电荷荷区区宽宽度度稳稳定定形形成成 PN 结结。1 1. .空空间间电电荷荷区区宽宽度度决决定定于于杂杂质质浓浓度度 一一般般杂杂质质浓浓度度越越高高空空间间电电荷荷区区越越薄薄,空空间间电电荷荷区区伸伸向向杂杂质质浓浓度度低低的的一一侧侧。2 2. .扩扩散散在在空空间间电电荷荷区区内内形形成成一一定定的的空空间间电电荷荷分分布布( (x x) ),P P 区区为为负负,NN 区
16、区为为正正,界界面面处处为为零零。故故 在在 电电 荷荷 区区 内内 形形 成成 一一 定定 的的 电电 场场 分分 布布 :E E = = )x(d dx x ( (为为 介介 质质 常常 数数 ) )。从从而而在在空空间间电电荷荷区区内内造造成成一一定定的的电电位位差差(接接触触电电位位差差) Edx 其其 中中 内内 建建 电电 位位 差差 : U= UTln pp/pn= UTln nn/np = UTln ppnn/ni2UTln NDNA/ni2 其其中中 UT=KT/q (热热力力学学电电压压) NP+-E电荷密度电荷密度E电场强度电场强度电位电位qU内建电位内建电位势垒(电子势
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