模拟电子技术基础第2章.ppt
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(4-1),第二章常用半导体器件原理,(4-2),2.1.1本征半导体,根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,半导体导电性能受温度、光照和掺杂影响。,2-1半导体物理基础,有良好的导通性,对电信号起阻断作用,导电能力介于导体和绝缘体之间,(4-3),、外层个电子;、共价健,半导体特性:半导体导电性能受温度、光照和掺杂影响。,2-1半导体基础知识,物质的导电能力由物质原子的内部结构和原子间的组合方式决定。,(4-4),(4-5),在物理结构上呈单晶体形态。,2.1.1本征半导体,2-1半导体基础知识,单晶硅,(4-6),一、半导体中的载流子,、热力学温度0K无外界激发,2.1.1本征半导体,2-1半导体基础知识,(4-7),2.1.1本征半导体,2、热力学300K室温,产生自由电子,一、半导体中的载流子,本征激发,(4-8),一、半导体中的载流子,、热力学温度0K无外界激发,自由电子:价电子能量增高,有的价电子挣脱原子核的束缚,而参与导电。,2、热力学300K室温,产生自由电子,空穴:价电子离开共价键后留下的空位称为空穴。,这一现象称为本征激发,也称热激发。,2.1.1本征半导体,2-1半导体基础知识,(4-9),3、空穴的移动,(动画2-1),空穴在晶格中的移动,(4-10),本征激发和复合的过程(动画1-1),2.1.1本征半导体,二、本征激发和复合,2-1半导体基础知识,(4-11),价电子获得能量挣脱原子核的束缚,成为自由电子,从而可能参与导电。这一现象称为本征激发,本征激发,复合,自由电子释放能量而进入有空位的共价键,使自由电子和空穴成对消失这一现象称为复合。,在外电场作用下电子空穴对作定向运动形成的电流。,漂移电流,产生电子空穴对,(4-12),导电性能发生变化,N型半导体(2)P型半导体,2.1.2杂质半导体,在本征半导体中参入杂质的半导体称杂质的半导体,杂质主要是三价或五价元素,参入少量五价元素,参入少量三价元素,2-1半导体基础知识,Text,Text,Text,参杂结果,形成两种半导体材料,(4-13),(1)N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素(例如磷),可形成N型半导体,也称电子型半导体。,(4-14),(2)N型半导体,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质。,空穴,自由电子,电子是多数载流子,主要由掺杂形成;空穴是少数载流子,由热激发形成。,(4-15),(2)P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素(如硼、镓、铟等)形成了P型半导体,也称为空穴型半导体。,空穴,(4-16),(2)P型半导体,空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。,空穴,自由电子,空穴是多数载流子,主要由掺杂形成;电子是少数载流子,由热激发形成。,(4-17),本征,T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm3,掺杂,AddYourTitle,掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=p=1.41010/cm3,本征硅,AddYourTitle,本征硅的原子浓度:4.961022/cm3,2.1.3杂质对半导体导电性的影响,2-1半导体基础知识,典型的数据如下:,(4-18),2.1.4半导体中的电流,飘移电流,扩散电流,在电场作用下,载流子定向运动形成的电流。电场越强,载流子浓度越大飘移电流越强。,由于载流子浓度不均匀,从浓度大处向浓度小处扩散,形成扩散电流。扩散电流大小与浓度梯度有关。,2-1半导体基础知识,(4-19),2.2PN结,2.2.1PN结的形成,2.2.2PN结的单向导电性,2.2.3PN结的击穿特性,2.2.4PN结的电容效应,(4-20),2.2.1PN结的形成,N型半导体和P型半导体紧密结合在一起。在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结。,(4-21),随着扩散运动的进行,在界面N区的一侧,杂质变成正离子;在界面P区的一侧,杂质变成负离子。在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层;在N型和P型半导体界面的P型区一侧会形成负离子薄层。这种离子薄层会形成一个电场,方向是从N区指向P区,称为内电场,,(4-22),内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍作用,限制了扩散运动的进一步发展。在半导体中还存在少子,内电场的电场力会对少子产生作用,促使少数载流子产生漂移运动。,(4-23),最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。,(4-24),在N型和P型半导体的结合面上发生物理过程总结:,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,(4-25),浓度差,扩散运动,电荷区,电场,阻止扩散运动,促使漂移运动,(4-26),PN结最重要的特性是单向导电特性,先看如下实验。,实验:PN结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验,因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管,所以拿一个二极管来当成PN结。P区为正极;N区为负极。对于图示的实验电路,(表示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管导通而发光。,电源正极,PN,发光二极管发光,2.2.2PN结的单向导电性,(4-27),此时发光二极管不发光,说明PN结不导电。这个实验说明PN结(二极管)具有单向导电性。,NP,发光二极管熄灭,PN结具有单向导电性,若P区的电位高于N区,电流从P区流到N区,PN结呈低阻性,所以电流大;若P区的电位低于N区,电流从N区流到P区,PN结呈高阻性,所以电流小。,结论,(4-28),当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为正向偏置,简称正偏。,当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位,称为反向偏置,简称反偏。,定义,下面对PN结的单向导电性进行解释。,(4-29),2.2.2.1PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。,IF,(4-30),2.2.2PN结加反向电压时的导电情况,PN结加反向电压时,有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。,内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。,IS,在一定的温度条件下,由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IS。,(4-31),PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。PN结具有单向导电性,(4-32),其中,IS反向饱和电流,VT温度的电压当量,且在常温下(T=300K),2.2.2.3PN结的I-V方程,PN结的电压和电流之间的关系为:,(4-33),PN结的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线,处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,正向偏置:U0.1,反向偏置:|u|0.1,(4-34),2.2.3PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时,反向电流突然快速增加,,热击穿不可逆,此现象称为PN结的反向击穿。,(4-35),2.2.3PN结的击穿特性,1、雪崩击穿,PN结的反向电压大于某一值()时,反向电流突然剧增,这种现象称为PN结的击穿,发生击穿所需的电压称为击穿电压(UBR),低参杂、高电压,2、齐纳击穿,高参杂、低电压,(4-36),1、雪崩击穿,条件:低参杂、高电压(耗尽区宽碰撞机会多),对硅材料:,(4-37),2、齐纳击穿,条件:高掺杂、低电压(耗尽区窄,低电压产生强电场),对硅材料:,低电压产生强电场,(4-38),2.2.4PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB,二是扩散电容CD。,(4-39),(1)势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。,势垒电容示意图,当外加电压使PN结上压降发生变化时,离子薄层的厚度也相应地随之改变,这相当PN结中存储的电荷量也随之变化,犹如电容的充放电。,(4-40),(1)势垒电容CB,随着外加电压的变化离子薄层的厚度的变化情况。,外加反向电压高,外加正向电压低,(4-41),扩散电容是由多子扩散后,在PN结的另一侧面积累而形成的。,(2)扩散电容CD,反之,由P区扩散到N区的空穴,在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。,PN结正偏时,由N区扩散到P区的电子,与外电源提供的空穴相复合,形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,(4-42),扩散电容示意图,PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同,正向偏置,外加电压不同,扩散电流大小不同,相当电容的充放电过程。,势垒电容和扩散电容均是非线性电容,(4-43),(2)扩散电容CD,如果引起的电压变化量为则:,PN结上的总电容为:,(4-44),温度升高时,反向电流将呈指数规律增加。对硅材料温度每增加10,反向电流将约增加一倍。对锗材料温度每增加12,反向电流大约增加一倍。,温度升高时,PN结的正向压降将减小,每增加1,正向压降UF(UD)大约减小2mV,即具有负的温度系数。,2.2.5PN结的温度特性,温度对PN结的性能有较大的影响。,(4-45),温度对PN结性能的影响,图示,温度每升高1,结电压减小22.5mV。,温度每升高1,反向饱和电流增大一倍。,总结,- 配套讲稿:
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