第16讲复习课.ppt

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1、 复复 习习 课课第第5章章 能带理论基础能带理论基础 v 常见的常见的杂质半导体杂质半导体v N型半导体型半导体（N为Negative的字头，由于电子带负电电子带负电而得此名）：掺入少量杂质磷磷元素（或锑锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。v P型半导体型半导体（P为Positive的字头，由于空穴带正电空穴带正电而得此名）：掺入少量杂质硼硼元素（或铟铟元素）的

2、硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。能带理论的引入能带理论的引入v单个原子：单个原子：由原子核和核外电子组成。由原子核和核外电子组成。v电子的能量是一定的，这种量子态的能量成电子的能量是一定的，这种量子态的能量成为为能级能级。（轨道的不同能量状态）。（轨道的不同能量状态）v靠近原子核靠近原子核，受原子核约束强，受原子核约束强，能级低能级低；v

3、远离原子核远离原子核，受原子核约束弱，受原子核约束弱，能级高能级高；v电子从电子从低能级跃迁到高能级低能级跃迁到高能级，要吸收能量；，要吸收能量；v电子从电子从高能级跃迁到低能级高能级跃迁到低能级，要放出能量；，要放出能量；基态：基态：能量最低；能量最低；激发态：激发态：电子被激发到高能量轨道上。电子被激发到高能量轨道上。E1E2E3电子的共有化运动电子的共有化运动v 当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有了一定程度的壳层之间就有了一定程度的交叠交叠，相邻原子最外壳层的交，相邻原子最外壳层的交叠最多，内壳层交叠较少。原子组成晶体

4、后，由于电子壳叠最多，内壳层交叠较少。原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一可以由一个原子转移到相邻的原子上去个原子转移到相邻的原子上去，因而，因而，电子将可以在整个电子将可以在整个晶体中运动晶体中运动，这种运动就称为，这种运动就称为电子的共有化运动电子的共有化运动。共有化运动只能在相似壳层间转移共有化运动只能在相似壳层间转移v满带：满带：能量低的能带中充满电子，能带称为满带。能量低的能带中充满电子，能带称为满带。v导带：导带：最高能带，全空或半空最高能带，全空或半空，电子未满，称为导带。，电子未满，称为导带。v禁

5、带：禁带：两个能带间的区域。两个能带间的区域。v价带：价带：导带下的满带，电子可跃迁到导带。导带下的满带，电子可跃迁到导带。价带价带第第6章章 p-n结结v 采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，v将P型半导体与N型半导体制作在同一块v半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们v的交界面就形成空间电荷区称为PN结。v （英语：PN junction）。v PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性。v PNPN结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，流，即呈现低电阻，我们称我们称PNPN结导通；结导通；v PN PN结加反向电压时，只有很小的反向漂移电

6、流，结加反向电压时，只有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，呈现高电阻，我们称我们称PNPN结截止。结截止。这就是这就是PNPN结的单结的单向导电性。向导电性。p-n结的基本特性结的基本特性电流电压特性（整流特性、单向导电性）电流电压特性（整流特性、单向导电性）电容电容效应效应隧道隧道效应效应雪崩雪崩效应效应开关开关效应效应光伏效应光伏效应整整 流流v 整流是一种物理现象，指的是在相同的驱动力推动下正向和逆向的电流幅值大小不同，英文名称为：Rectification。v 在电力电子方面：将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这种变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。v 整流电路是利用二极管

7、的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。在交流电源的作用下，整流二极管周期性地导通和截止，使负载得到脉动直流电。在电源的正半周，二极管导通，使负载上的电流与电压波形形状完全相同；在电源电压的负半周，二极管处于反向截止状态，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。n P-NP-N结的直流特性结的直流特性n 1 1、P-NP-N结的正向特性结的正向特性 当P-N结加有正向偏压时，即P区接电源正极，N区接负极，外加电压的方向与自建场的方向们相反，使空间电荷区中的电场减弱，这样就打破了扩散运动相漂移运动的相对平衡，使载流子的扩散运动超过漂移运动，扩散运动成为矛盾的主要方面。加正向电压（正

8、偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P P区，负极接区，负极接N N区区，外外电场的方向与内电场方向相反。电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场耗尽层变窄扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流（与外电场方向一致）多子扩散形成正向电流（与外电场方向一致）P-N结加有正向偏压 n 2、P-NP-N结的反向特性结的反向特性 当P-N结外加反向偏压时，外电场的方向与自建场的方向相同，增强了空间电荷区中的电场，载流于的漂移运动超过了扩散运动，漂移运动成为了矛盾的主要方面。加反向电压（反偏）加反向电压（反偏）电源正极接电源正极接N N区，负极接区，负极接P P区区，外电场的方向与内电场方向相同。

9、外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场耗尽层变宽漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流（与外电场方向少子漂移形成反向电流（与外电场方向相反相反）P-N结加有反向偏压 n 3 3、P-NP-N结的伏安特性结的伏安特性 将P-N的正向特性和反向特性组合起来，就形成了P-N结的伏安特性。伏安特性。（正向导通，反向截止）（正向导通，反向截止）P-N结的伏安特性 v v 单向导电性是二极管最重要的特性。单向导电性是二极管最重要的特性。v 利用单向导电性可以判断二极管的好坏，正偏时电阻值小，反偏时电阻值大，否则，二极管是损坏了的。v二极管单向导电性失败的场合及原因二极管单向导电性失败的场合及原因 v

10、1、正向偏压太低。（不足以克服死区电压）v2、正向电流太大。（会使PN结温度过高烧毁）v3、反向偏压太高。（造成反向击穿）v4、工作频率太高。（使结电容容抗下降而反向不截止）v隧道效应隧道效应v 施加反向偏压施加反向偏压时，时，势垒区能带发生倾斜势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，；反向偏压越大，势垒越高，势垒区的内建电场也越强，势垒区的能带也越倾斜，势垒越高，势垒区的内建电场也越强，势垒区的能带也越倾斜，甚至可以使得甚至可以使得p区的价带顶比区的价带顶比n区的导带底还要高区的导带底还要高。此时。此时p区的区的价带中的电子将较容易到达价带中的电子将较容易到达n区的导带区的导带。这个效应称。这个效

11、应称隧道效应隧道效应。v 当反向电压达到一定程度，通过隧道效应产生的反向电流当反向电压达到一定程度，通过隧道效应产生的反向电流将突然增大，此时称为将突然增大，此时称为pn结的隧道击穿结的隧道击穿。电子电子v电容效应电容效应 v 当当外加电压发生变化外加电压发生变化时，时，耗尽层的宽度要相应耗尽层的宽度要相应地随之改变地随之改变，即，即PN结中结中存储的电荷量要随之变化存储的电荷量要随之变化，就像就像电容充放电电容充放电一样。一样。v雪崩击穿雪崩击穿v 当当反向偏压很大反向偏压很大时，势垒区中的时，势垒区中的电场很强电场很强，在势垒区中，在势垒区中的的电子和空穴由于受到强电场的作用电子和空穴由于

12、受到强电场的作用，具有，具有很大的动能很大的动能，它们与势垒区中的它们与势垒区中的晶格原子发生碰撞晶格原子发生碰撞时，可以把价键上的时，可以把价键上的电子碰撞出来电子碰撞出来，成为导电电子，同时，成为导电电子，同时产生一个空穴产生一个空穴。上述。上述电子和空穴在强电场的作用下还会电子和空穴在强电场的作用下还会继续发生碰撞，产生第继续发生碰撞，产生第二代、第三代载流子二代、第三代载流子。v v 如此继续下去，载流子快速增加，这个过程称为如此继续下去，载流子快速增加，这个过程称为载流子载流子的倍增效应的倍增效应。v v 由于载流子的由于载流子的倍增效应，反向电流迅速增大，倍增效应，反向电流迅速增大

13、，pn结被结被击穿。击穿。v光伏效应：光伏效应：v 光照，能量大于禁带宽度光照，能量大于禁带宽度Eg光子被吸收光子被吸收，产生电子空穴产生电子空穴对对，由于内建电场作用，由于内建电场作用，空穴向空穴向P型区移动，电子向型区移动，电子向N型区移型区移动动，形成，形成光生电动势或光生电场光生电动势或光生电场。v 外电路未接通，外电路未接通，只形成只形成电动势电动势。v 外电路接通，外电路接通，产生由产生由P型流向型流向N型的电流和功率型的电流和功率。电子移动电子移动空穴移动空穴移动PN第第7章章 金属金属-半导体接触半导体接触 金属金属-半导体接触：半导体接触：指的是有金属和半导指的是有金属和半导

14、体相互接触而形成的结构。体相互接触而形成的结构。现代半导体工艺中，金属现代半导体工艺中，金属-半导体接触是半导体接触是通过在半导体表面真空蒸发一金属表面形成通过在半导体表面真空蒸发一金属表面形成。金属金属-半导体接触可形成半导体接触可形成整流特性接触和欧姆接触整流特性接触和欧姆接触。v整流特性接触：金属细丝与半导体表面形成整流接触。整流特性接触：金属细丝与半导体表面形成整流接触。v欧姆接触：电极连接作用，等效一个小电阻。欧姆接触：电极连接作用，等效一个小电阻。1 1、整流特性接触整流特性接触v与半导体的与半导体的P-NP-N结结的电流电压特性是一样的。的电流电压特性是一样的。v整流特性金属整流

15、特性金属-半导体接触，称为肖特基接触，半导体接触，称为肖特基接触，以此为基础制成的二极管为以此为基础制成的二极管为肖特基二极管肖特基二极管（SBD）v课本课本5757页有详细讲解。页有详细讲解。2 2、欧姆欧姆接触接触v 在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，这就是欧姆定律。v 满足这种定律的 金属半导体 接触就是欧姆接触。欧姆接触可作为半导体器件电极连接用，这种接触可以等效为一个电阻。金属金属-绝缘层绝缘层-半导体结构（半导体结构（MIS）金属和半导体中插入绝缘层。金属和半导体中插入绝缘层。是是集成电路集成电路CMOS核心单元。核心单元。课堂练习题课堂练习题v1 1、什么是半导体？半导体的分类？、什么是半导体？半导体的分类？v2 2、简述电子的共有化运动？、简述电子的共有化运动？v3 3、简述多晶硅的制备及提纯方法？、简述多晶硅的制备及提纯方法？v4 4、什么是、什么是光伏效应光伏效应，举例说明？，举例说明？v5 5、为什么、为什么PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性？v6 6、学习、学习1010周的心得体会（周的心得体会（300300字左右）？字左右）？v （下课时交）（下课时交）