半导体的基本知识优秀PPT.ppt
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1、半导体的基本知识第1页,本讲稿共38页 半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识,讨论半导体的核心环节PN结,阐述了半导体二极管、双极性晶体管(BJT)和场效应管(FET)的工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路和分析方法。对晶闸管和集成电路中的元件也进行了简要介绍。内容简介第2页,本讲稿共38页1.半导体材料半导体材料 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、绝缘体和半的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。导体。导导 体体:109cm 半导体半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间。:导电性能介于导体和绝缘体之间。2.半导体的晶体结
2、构半导体的晶体结构 典型的元素半导体有典型的元素半导体有硅硅Si和和锗锗Ge,此外,还有化合物半导,此外,还有化合物半导体体砷化镓砷化镓GaAs等。等。1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识第3页,本讲稿共38页3.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、结构完整的半导体。它在物理化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。结构上呈单晶体形态。半导体的导电性能是由其原子结构决定的,半导体的导电性能是由其原子结构决定的,就元素半导就元素半导体硅和锗而言,其体硅和锗而言,其原子序数分别为原子序数分别为1414和和3232,但它们有一个共同,但它们有一个共
3、同的特点:即原子最外层的电子(价电子)数均为的特点:即原子最外层的电子(价电子)数均为4 4,其原子结构和,其原子结构和晶体结构如晶体结构如图图1.1.1所示。所示。HomeNextBack 本征激发本征激发(热激发)热激发):受温度、光照等环境因素的影响,受温度、光照等环境因素的影响,半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚,成为自由电子的现象,称之为本征激发(热激发)束缚,成为自由电子的现象,称之为本征激发(热激发)(见图见图1.1.21.1.2)。)。第4页,本讲稿共38页 电子空穴对电子空穴对:由本征激发(热激发)而产生的
4、自由:由本征激发(热激发)而产生的自由电子和空穴总是成对出现的,称为电子空穴对。所以,电子和空穴总是成对出现的,称为电子空穴对。所以,在本征半导体中:在本征半导体中:ni=pi (ni自由电子的浓度;自由电子的浓度;pi空穴的浓度)。空穴的浓度)。空穴空穴:共价键中的空位。:共价键中的空位。K1常数,硅为常数,硅为3.87 10-6K-3/2/cm3,锗为,锗为1.76 10-6 K-3/2/cm3;T热力学温度;热力学温度;EGO禁带禁带宽度,宽度,硅为硅为1.21eV,锗为,锗为0.785eV;k波耳兹曼波耳兹曼常数,常数,8.63 10-5 eV/K。(。(e单位电荷,单位电荷,eV=J
5、)第5页,本讲稿共38页 载流子载流子:能够参与导电的带电粒子。:能够参与导电的带电粒子。空白空白半导体中载流子的移动半导体中载流子的移动:如图:如图1.1.3所示。从图中可以看所示。从图中可以看出,空穴可以看成是一个带正电的粒子,和自由电子一样,出,空穴可以看成是一个带正电的粒子,和自由电子一样,可以在晶体中自由移动,在外加电场下,形成定向运动,从可以在晶体中自由移动,在外加电场下,形成定向运动,从而产生电流。所以,而产生电流。所以,在半导体中具有两种载流子:自由电子在半导体中具有两种载流子:自由电子和空穴。和空穴。(1)两种载流子的产生与复合,在一定温度下达到动态平)两种载流子的产生与复合
6、,在一定温度下达到动态平衡,则衡,则ni=pi的值一定;的值一定;(2)ni与与pi 的值与温度有关,对于硅材料,大约温度每升高的值与温度有关,对于硅材料,大约温度每升高8oC,ni 或或pi 增加一倍;对于锗材料,大约温度每升高增加一倍;对于锗材料,大约温度每升高12 oC,ni 或或pi 增加增加一倍。一倍。第6页,本讲稿共38页4.杂质半导体杂质半导体 杂质半导体杂质半导体:在本征半导体中参入微量的杂质形在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质,杂质半导体分成的半导体。根据参杂元素的性质,杂质半导体分为为P P型(空穴型)半导体和型(空穴型)半导体和N N型(电子型)
7、半导体。型(电子型)半导体。由于参杂的影响,会使半导体的导电性能发生显著的由于参杂的影响,会使半导体的导电性能发生显著的改变。改变。:在本征半导体中参入微量三价元:在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体,其共价键结构如图素的杂质形成的半导体,其共价键结构如图1.1.41.1.4所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。P P型半导体型半导体第7页,本讲稿共38页 受主杂质受主杂质:因为三价元素的杂质在半导体中能够因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子,故称之为受主杂质或接受电子,故称之为受主杂质或P P型杂质。型杂质。多子与少子多子与少子:P P型
8、半导体在产生空穴的同时,并不产生新型半导体在产生空穴的同时,并不产生新的自由电子,所以控制参杂的浓度,便可控制空穴的数量。的自由电子,所以控制参杂的浓度,便可控制空穴的数量。在在P P型半导体中,空穴的浓度远大于自由电子的浓度,型半导体中,空穴的浓度远大于自由电子的浓度,称之为称之为多数载流子多数载流子,简称,简称多子多子;而自由电子为;而自由电子为少数载流少数载流子子,简称,简称少子少子。:既然:既然P P型半导体的多数载流子是空型半导体的多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子,所以,穴,少数载流子是自由电子,所以,P P型半导体型半导体带正电。此说法正确吗?带正电。此说法正确吗?思考题思考
9、题第8页,本讲稿共38页 :在本征半导体中参入微量五价元:在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体,其共价键结构如图素的杂质形成的半导体,其共价键结构如图1.1.51.1.5所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。N N型半导体型半导体 施主杂质施主杂质:因为五价元素的杂质在半导体中能够产生因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子,故称之为施主杂质或多余的电子,故称之为施主杂质或N N型杂质。型杂质。在在N N型半导体中,自由电子为多数载流子,而空穴为型半导体中,自由电子为多数载流子,而空穴为少数载流子。少数载流子。第9页,本讲稿共38
10、页 综上所述,在杂质半导体中,因为参杂,载流子的数量综上所述,在杂质半导体中,因为参杂,载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加,尽管参杂的含量很小,但对比本征半导体有相当程度的增加,尽管参杂的含量很小,但对半导体的导电能力影响却很大,使之成为提高半导体导电性能半导体的导电能力影响却很大,使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。最有效的方法。掺杂掺杂 对本征半导体的导电性的影响,其典型数对本征半导体的导电性的影响,其典型数据如下据如下: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:ni=pi=1.41010/cm3 掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体
11、中的自由电子浓度:ni=51016/cm3 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 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。HomeNextBack第10页,本讲稿共38页小小 结结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念:本讲主要介绍了下列半导体的基本概念:本征半导体本征半导体 本征激发、空穴、载流子本征激发、空穴、载流子 杂质半导体杂质半导体 P P型半导体和型半导体和N N型半导体型半导体 受主杂质、施主杂质、多子、少子受主杂质、施主杂质、多子、少子第11页,本讲稿共38页二二.PN.PN结的单向导电性结的单向导电性 正偏与反偏正偏与反偏:当外
12、加电压使:当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位,称为加区的电位,称为加正向电压正向电压,简称正偏;反之,简称正偏;反之称为称为加反向电压,加反向电压,简称反偏。简称反偏。一一.PN.PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分分别形成别形成P型半导体和型半导体和N型半导体。此时将在型半导体。此时将在P型半导体型半导体和和N型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如图图1.1.61.1.6所示。所示。5.PN结结 第12页,本讲稿共38页1.1.PNPN结加正向电压结加正向
13、电压 PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流,扩散电流,PN结导通。其示意图如结导通。其示意图如 图图1.1.7所示。所示。Home2.PN2.PN结加反向电压结加反向电压 PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流,漂移电流,PN结截止。其示意图如结截止。其示意图如 图图1.1.8所示。所示。3.PN3.PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结加正向电压(正偏)时导通;加反向电压(反结加正向电压(正偏)时导通;加反向电压(反偏)时截止的特性,称为偏)时截止的特性,称为PN结的单向导
14、电性结的单向导电性。第13页,本讲稿共38页三三.PN.PN结的特性曲线结的特性曲线 1.PN1.PN结的结的V-I V-I 特性表达式特性表达式式中,式中,IS 反向饱和电流;反向饱和电流;n 发射系数,与发射系数,与PN结结的的尺寸、材料等有关,其值为的的尺寸、材料等有关,其值为12;VT 温度的电温度的电压当量,且在常温下(压当量,且在常温下(T=300K):VT=kT/q=0.026V=26mV第14页,本讲稿共38页2.PN2.PN结的正向特性结的正向特性HomeNextBack 死区电压死区电压Vth硅材料为硅材料为0.5V左左右;锗材料为右;锗材料为0.1V左右。左右。导通电压导
15、通电压Von硅材料为硅材料为0.60.7V左右;左右;锗材料为锗材料为0.20.3V左右。左右。Is=10-8AVT=26mVn=2死区电压导通电压图图1.1.9 PN结的正向特性结的正向特性第15页,本讲稿共38页3.PN3.PN结的反向特性结的反向特性HomeNextBack 反向电流:反向电流:在一定温度下,在一定温度下,少子的浓度一定,少子的浓度一定,当反向电压达到一当反向电压达到一定值后,反向电流定值后,反向电流IR 即为反向饱和电即为反向饱和电流流IS,基本保持不,基本保持不变。变。反向电流受温度反向电流受温度的影响大。的影响大。-IS图图1.1.10 PN结结的反向特性的反向特性
16、锗管硅管第16页,本讲稿共38页4.PN4.PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性HomeNextBack 反向击穿:反向击穿:当当反向电压达到一定反向电压达到一定数值时,反向电流数值时,反向电流急剧增加的现象称急剧增加的现象称为反向击穿(为反向击穿(电击电击穿穿)。若不加限流)。若不加限流措施,措施,PN结将过热结将过热而损坏,此称为而损坏,此称为热热击穿击穿。电击穿是可。电击穿是可逆的,而热击穿逆的,而热击穿是不可逆的,应是不可逆的,应该避免。该避免。图图1.1.11 PN结的结的反向击穿特性反向击穿特性VBR第17页,本讲稿共38页HomeNextBack 反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两
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