1、1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,1.1 半導(dǎo)體材料,1.2 PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?教學(xué)基本要求： 1、何為半導(dǎo)體？半導(dǎo)體有什么特點？ 2、何為PN結(jié)？PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侨绾螌崿F(xiàn)的？這一 特性有幾種描述方法？ 3、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力是否可控？有幾種實現(xiàn)方法？,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,1.3 雙PN結(jié)的作用,模擬電子技術(shù),1.1 半導(dǎo)體,1.何為半導(dǎo)體？,就是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的某個物體稱為半導(dǎo)

2、體。,導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。,絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度才可能導(dǎo)電。,半導(dǎo)體－－硅14（Si）、鍺32（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,硅、鍺的原子結(jié)構(gòu)模型

3、 原子結(jié)構(gòu)簡化模型,物體在外電場的作用下，能夠移動的自由電子越多導(dǎo)電能力越強；移動中所受阻力越小導(dǎo)電能力越強。,物體的導(dǎo)電能力與電子層數(shù)和最外層電子數(shù)有關(guān)，從硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)看，剛好都屬于半導(dǎo)體。要構(gòu)成二極管、三極管等元件首先要將半導(dǎo)體材料處理成----本征半導(dǎo)體。,模擬電子技術(shù),無雜質(zhì),穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),本征半導(dǎo)體是純凈的、晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。其導(dǎo)電能力相當(dāng)于絕緣體。,由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自

4、由電子，這一過程稱熱激發(fā)。,自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴。,共價鍵,自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。溫度不變時，熱激發(fā)和復(fù)合進入動態(tài)平衡。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,2. 本征半導(dǎo)體,模擬電子技術(shù),電子空穴對是隨機出現(xiàn)的，其位置不固定。,運載電荷的粒子稱為載流子。,本征半導(dǎo)體中的兩種載流子,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,本征半導(dǎo)體中的自由電子濃度ni和空穴濃度pi總是相等的,ni = pi,一定溫度下，自由

5、電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。,,,模擬電子技術(shù),由于室溫下，3.42×1012個硅原子中才有一個電子空穴對，載流子數(shù)目很少，本征半導(dǎo)體基本特性不導(dǎo)電。,為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？,兩種載流子均可形成電流,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,外加電場時，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反?？傠娏鳎?絕對溫度0K時，本征半導(dǎo)體不導(dǎo)

6、電。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，絕緣性能變差。,模擬電子技術(shù),是為獲得N、P型雜質(zhì)半導(dǎo)體。,,磷（P）施主雜質(zhì),N型雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子自由電子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，自由電子濃度越高，導(dǎo)電性越強。,多數(shù)載流子,在N型雜質(zhì)半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)目比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？,N型半導(dǎo)體,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,施主原子濃度ND ，少數(shù)載流子濃度p ，則多數(shù)載流子的濃度 n = p + ND,雜質(zhì)

7、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有人為可控性。---改變摻雜濃度,3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體,模擬電子技術(shù),,硼（B）受主雜質(zhì),多數(shù)載流子,P型半導(dǎo)體主要靠多子空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強，,在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子和多子濃度的變化相同嗎？,P型半導(dǎo)體,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,受主原子濃度NA ，少數(shù)載流子濃度n ，則多數(shù)載流子的濃度 p = n +

8、NA,p×n = pi ×ni = pi2 = ni 2,模擬電子技術(shù),,一組典型數(shù)據(jù)如下:,雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 ， 摻入雜 質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響（導(dǎo)電能力相差106）。,半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 PN結(jié),1.2 PN結(jié),1、物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液

9、體、固體均有之。,擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，形成空間電荷區(qū)即內(nèi)電場，內(nèi)電場的出現(xiàn)將阻止擴散運動的進行。 --電場力=擴散力—靜態(tài)平衡,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),1.2.1 PN結(jié)的形成,漂移運動與擴散運動相反，在內(nèi)電場的作用下空穴向P區(qū)移動、自由電子向N 區(qū)移動，這將打破原來的靜態(tài)平衡。,2、因內(nèi)電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。,1.2.1 PN結(jié)的形成,武漢大學(xué)

10、電氣工程學(xué)院YTZ,內(nèi)電場、勢壘區(qū)、耗盡層,,擴散形成的電流稱擴散電流，漂移形成的電流稱漂移電流。 --二者相等--動態(tài)平衡。,在PN結(jié)形成過程中，擴散電流、漂移電流是如何變化的？,模擬電子技術(shù),參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了穩(wěn)定的PN結(jié)。,1.2.1 PN結(jié)的形成,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,1)耗盡層的導(dǎo)電能力如何？相當(dāng)于何種半導(dǎo)體？,模擬電子技術(shù),3、PN結(jié)的電場強度一般約為零點幾伏。,2)摻雜

11、濃度不同對PN結(jié)場強有什么影響？,3)溫度變化對PN結(jié)場強有什么影響？,4)材料不同對PN結(jié)場強有什么影響？,討論：,1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1、使PN結(jié)變窄的偏置稱正向偏置，對應(yīng)的偏置電壓、電流稱正向電壓和正向電流。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,正向偏置時，外電壓使內(nèi)電場變?nèi)?，有利于擴散、不利于漂移。擴散電流大于漂移電流，二者之差就是正向電流IF。,模擬電子技術(shù),PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況,討論：隨著正偏電壓由小變大，正

12、向電流如何變化？,1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2、使PN結(jié)變寬的偏置稱反向偏置，對應(yīng)的偏置電壓、電流稱反向電壓和反向電流。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,反向偏置時，外電壓使內(nèi)電場變強，不利于擴散、有利于漂移。漂移電流大于擴散電流，二者之差就是反向電流IR。,模擬電子技術(shù),PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況,討論：隨著反偏電壓的增大，反向電流如何變化？,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),,1）電阻描述：正偏電壓較小時，電阻近似

13、無窮大；電壓大于門坎電壓后，正偏電壓越大、正向電阻越小。反偏電壓越大、反向電阻越大，反向電流飽和后，交流電阻近似無窮大。----正向電阻小、反向電阻大。,3、PN結(jié)單向?qū)缘膸追N描述方法,2）曲線描述：通過實測可以獲得偏置電壓與電流之間的關(guān)系曲線。 ----伏安特性。,伏安特性除了描述單向?qū)щ娦酝猓€可對擊穿特性進行描述。,UBR稱為反向擊穿電壓,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),,3）表達(dá)式描述：PN結(jié)上的外加電壓u和電流i

14、之間的關(guān)系為,式中 IS 為反向飽和電流，UT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，其中k為玻耳茲曼常數(shù)，q為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。,若反向電壓u ＜＜ UT ，則 i ? ?IS，負(fù)號表示為反向電流。,若正向電壓u ＞＞ UT ， 電流 i 隨電壓 u 按指數(shù)規(guī)律變化。,1.2.3 PN結(jié)的反向擊穿,當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,武

15、漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),摻雜濃度高，耗盡層易形成強電場。在不太大的外加電壓作用下，能把價電子從共價鍵中“拉出來”，產(chǎn)生電子空穴對，引起電流急劇增加。該擊穿稱為齊納擊穿。,大的外加電壓，會形成較寬的耗盡層。漂移的少子在獲得足夠的能量后，撞擊共價鍵，產(chǎn)生電子空穴對，引起電流急劇增加。該擊穿稱為雪崩擊穿。,何為熱擊穿？何為可逆擊穿？,1.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng),武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),1）勢壘電容,P

16、N結(jié)外加反向電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容為勢壘電容Cb。,2）擴散電容,PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容為擴散電容Cd。,,結(jié)電容對PN結(jié)的單向?qū)щ娪泻斡绊懀?PN結(jié)的光電效應(yīng)？,1.3 雙PN結(jié),雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力不僅能用摻雜濃度來調(diào)節(jié)，還可利用兩個PN結(jié)來對其進行控制。,1.3.1

17、耗盡型導(dǎo)電溝道,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),基本原理：利用PN結(jié)消耗雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子，進而實現(xiàn)對該雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的控制。,N型導(dǎo)電溝道,V2為工作電源，為什么只能取正值？,V1為控制電源，為什么要取負(fù)值？,對于P型導(dǎo)電溝道，V1、V2的極性又該怎么??？,1.3.1 耗盡型導(dǎo)電溝道,1. 開關(guān)特性,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),V1為控制電源，V2為工作電源。,當(dāng)V1=0時，初始導(dǎo)電溝道最寬、溝

18、道阻值最小，溝道導(dǎo)通，此時溝道能流過較大的電流。相當(dāng)于開關(guān)閉合。,當(dāng)V1<UOFF 夾斷電壓時，兩PN結(jié)重合，初始導(dǎo)電溝道為零、溝道阻值近似無窮大，溝道截止，此時溝道能流過的電流近似為零。相當(dāng)于開關(guān)斷開。,導(dǎo)通,截止,2. 導(dǎo)電溝道非線性,導(dǎo)電溝道不僅受V1控制，還受V2大小影響，可用非線性電阻來描述。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),變化中的導(dǎo)電溝道,V1=0初始導(dǎo)電溝道最寬，隨著V2和IN的增加，會在導(dǎo)電溝道上形成

19、上高下低的電位梯度分布，即PN結(jié)的反偏電壓上大下小，使得PN結(jié)上寬下窄。即溝道電阻隨V2增加而增大。,當(dāng)V2=-UOFF時，頂部溝道夾斷，IN達(dá)到最大飽和值INS。當(dāng)V2＞ |UOFF|時，夾斷區(qū)延長，直流電阻繼續(xù)增大。但I(xiàn)N=INS不再增大，微變電阻rN=?V2 /?IN=?（交流電阻無窮大）。,溝道夾斷時，IN電流為什么不是零？,IN飽和電流與V1大小是什么關(guān)系？,V1 =UOFF無導(dǎo)電溝道，飽和電流IN=0 ； V1 =0初始導(dǎo)電

20、溝道最寬，飽和電流IN=INS最大。 UOFF＜V1＜0初始導(dǎo)電溝道不同，飽和電流也不一樣0＜IN＜INS之間。由實測可獲得具體控制特性曲線。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),溝道夾斷前，電流未達(dá)飽和值。IN=f(V1、 V2) ，其大小與控制電壓V1、工作電壓 V2的大小均有關(guān)系。,3.導(dǎo)電溝道有可控性,,溝道夾斷后（V2 ≥ V1 －UOFF ），飽和電流IN只與控制電壓V1大小有關(guān)。,對于P型導(dǎo)電溝道，其控制特性該如何

21、畫？,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的理論分析，控制特性曲線可用下式來描述：,4. 飽和電流IN表達(dá)式,,,Kn為N溝道導(dǎo)電常數(shù)（單位是mA/V2），將不同控制電壓下的導(dǎo)電面積折算成飽和電流。,INS =Kn 是V1 =0時N溝道的最大飽和電流，該參數(shù)比Kn更容易獲得。 故飽和電流還可表達(dá)為：,表達(dá)式中為什么沒有V2 ？,在恒流區(qū)（V2 ≥ V1 －UOFF ）時，其飽和電流：,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)

22、院YTZ,模擬電子技術(shù),5. 完整特性曲線,,,該特性曲線可通過受控回路的伏安特性來畫出，故也稱轉(zhuǎn)移特性。,導(dǎo)電溝道的伏安特性如下：,在可變電阻區(qū)（V2 ≤ V1 －UOFF ）時，電流隨V1或V2 的增大而增大。,對于P型導(dǎo)電溝道的特性曲線、表達(dá)式？,1.3.2 增強型導(dǎo)電溝道,耗盡型利用兩側(cè)的PN結(jié)直接對中間的雜質(zhì)半導(dǎo)體進行控制。而增強型則是用感應(yīng)溝道將兩側(cè)的雜質(zhì)半導(dǎo)體相連共同形成導(dǎo)電溝道。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子

23、技術(shù),1.3.2 增強型導(dǎo)電溝道,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),當(dāng)V1=0時，初始導(dǎo)電溝道為零、溝道阻值近似無窮大，溝道截止，此時溝道能流過的電流近似為零。,當(dāng)V1＜UON 開啟電壓時，所吸引的自由電子不僅數(shù)量有限，而且會被附近的空穴所復(fù)合，只是在絕緣層附近留下不能參與導(dǎo)電的負(fù)離子電荷區(qū)，溝道仍截止。,當(dāng)V1 ＞ UON 后，所吸引的自由電子除了被附近的空穴復(fù)合外，多余的自由電子則形成N型導(dǎo)電溝道，加上工作電源V2后溝道

24、導(dǎo)通，控制電壓越高溝道導(dǎo)電能力越強。,與耗盡型導(dǎo)電溝道有什么不同？,溝道開啟后的變化與耗盡型相同：,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),感應(yīng)導(dǎo)電溝道,當(dāng)V1 －V2 ＞ UON溝道未夾斷前，隨著V2和IN的增加頂部溝道會變窄，隨著阻值的增大增量電流在減小。 當(dāng)V1 －V2 ≤ UON 時，溝道動態(tài)夾斷、IN飽和不再增加。,飽和電流表達(dá)式與耗盡型無本質(zhì)差別：,,,,1.3.2 增強型導(dǎo)電溝道,增強型、耗盡型、N溝道、P溝道飽和電

25、流表達(dá)式皆為：,K為不同溝道的導(dǎo)電常數(shù)（單位是mA/V2），UTH為有無導(dǎo)電溝道的臨界電壓， IS為不同控制電壓下的飽和電流。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),N溝道控制特性曲線由第二象限右移到第一象限，而且V1取值沒有限制。,,,,討論一：增強型N和P導(dǎo)電溝道的特性曲線有什么不同？,1.3.2 增強型導(dǎo)電溝道,特性曲線與耗盡型存在差別：,討論三：開啟電壓變?yōu)樨?fù)值后，還能稱該導(dǎo)電溝道是增強

26、型嗎？,討論四：增強型導(dǎo)電溝道變?yōu)楹谋M型后，特性曲線與前者 耗盡型是否一樣？,討論二：能否將開啟電壓由正值變?yōu)樨?fù)值？,1.3.3 電流注入型導(dǎo)電溝道,基本原理：利用正偏的PN結(jié)來影響反偏PN結(jié)的導(dǎo)電性。有注入電流導(dǎo)電，沒有注入電流不導(dǎo)電，導(dǎo)電能力由注入電流大小決定。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),內(nèi)部條件：中間的半導(dǎo)體摻雜濃度最低而且很薄，J1、J2接

27、 近重合；N1區(qū)摻雜濃度最高，N2區(qū)面積最大。,外部條件：控制回路中的J1正偏、受控回路中的J2反偏。,為什么要這樣呢？,1.形成注入型導(dǎo)電溝道的條件,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),當(dāng)V1=0時，J1無正偏電壓，故電流I1和I3為零。受控回路中的J2反向偏置截止，故電流I2也為零。即注入電流I1為零，受控電流I2也隨之為零。,若受控回路開路呢？若V2=0呢？,當(dāng)V1＞0時，J1正偏，N1區(qū)的擴散電子形成電流I3；由于J1

28、、J2很近，而且P區(qū)空穴濃度較低，故擴散到P區(qū)的電子大多進入J2形成漂移電流I2。 J2雖為反向偏置，但因漂移電流的增加而導(dǎo)通。只有很少的電子在P區(qū)復(fù)合形成電流I1，根據(jù)節(jié)點電流方程有 I3=I1+I2 。即注入電流I1不為零，受控電流I2也不為零。,若V2為負(fù)值呢？,2. 開關(guān)特性（工作原理）,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),漂移到N2區(qū)的電子,若V2 較小不能保證 J2反偏，則漂移到N2區(qū)電子很少。 J2反偏后，N2區(qū)收

29、集的漂移電子與N1區(qū)發(fā)射的電子形成一定的比例，可用?參數(shù)來表示：,,,I2 = ? I3,根據(jù)節(jié)點電流方程：,,,用β參數(shù)代替? /(1－?)則有：,由于β參數(shù)大于1，還體現(xiàn)了電流放大作用。即注入一小電流可引出一較大電流β 稱為電流放大系數(shù)。,,,,,,3. 受控電流表達(dá)式,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),,,控制回路伏安特性曲線和PN結(jié)的正向特性曲線類似，由于中間的雜質(zhì)半導(dǎo)體參雜濃度低了(1+β)倍，故I1比I3電流小了

30、(1+β)倍。,,,受控回路伏安特性曲線與增強型電壓控制類似，不同的是這里是電流控制電流。,控制電流I1=0對應(yīng)的是截止區(qū)。受控電流I2=βI1=0,,,,,,4. 伏安特性,2）受控回路伏安特性,1）控制回路伏安特性,工作電源V2較大時對應(yīng)的是恒流區(qū)（放大區(qū)）。受控電流I2=βI1,工作電源V2較小時對應(yīng)的是可變電阻區(qū)（飽和區(qū)）。受控電流I2<βI1,,1. 本征半導(dǎo)體基本不導(dǎo)電，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間與摻雜濃

31、度有關(guān)。雜質(zhì)半導(dǎo)體分N型和P型兩種，空穴導(dǎo)電是半導(dǎo)體不同于金屬導(dǎo)電的重要特點。,本章小結(jié),3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力有三種控制方式：一是直接利用PN結(jié)消耗多數(shù)載流子；二是透過絕緣層利用異性電荷相吸原理，產(chǎn)生大小可變的反型感應(yīng)導(dǎo)電溝道；三是利用不對稱性影響PN結(jié)的反向特性的導(dǎo)電能力。,2. P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合會形成一個PN結(jié)也稱空間電荷區(qū)或耗盡層。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，耗盡層變窄，有大的擴散電流流過；而當(dāng)反向偏置時，耗盡層變寬，只有很小的

32、漂移電流流過，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦曰騊N結(jié)的可控性。,武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,模擬電子技術(shù),,,前兩種為電壓控制：,后者為電流控制：I = ? I1或,,本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體,本章中的有關(guān)概念,自由電子、空穴,N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體,多數(shù)載流子、少數(shù)載流子,施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì),武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院YTZ,PN結(jié)、勢壘區(qū)、單向?qū)щ?齊納擊穿、雪崩擊穿,模擬電子技術(shù),擴散運動、漂移運動,增強型、耗盡型,開啟電壓、夾斷電壓,伏安