模拟电路课件第三章.ppt
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1、模拟电路课件模拟电路课件-第三章第三章.2半导体的导电特性半导体的导电特性 在物理学中,根据材料的导电能力,可以将其划分在物理学中,根据材料的导电能力,可以将其划分导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。典型的半导体是。典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge,它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅 原 子硅 原 子(+14)(+14)Ge锗 原 子锗 原 子(+32)(+32)Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用3+4+4+4+4+4+4+4+4+4共共价价键键在绝对温度在绝对温度T=0K和无外和无外
2、界激发(光照或受热)时,界激发(光照或受热)时,所有的价电子都被共价键紧所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中,不会成紧束缚在共价键中,不会成为为自由电子自由电子,因此本征半导因此本征半导体的导电能力很弱,接近绝体的导电能力很弱,接近绝缘体。缘体。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为,常称为“九个九个9”。本征半导体结构本征半导体结构价价电电子子4本征激发或热激发:本征激发或热激发:当温度升高或受到光的照当温度升高或受到光的照射时,受束缚电子能量增射时
3、,受束缚电子能量增高,有的电子可以挣脱原高,有的电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电子核的束缚,而参与导电,成为,成为自由电子自由电子。自由电。自由电子产生的同时,在其原来子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个的共价键中就出现了一个空位,称为空位,称为空穴空穴。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空空穴穴1、自由电子和空穴成对出现,且数量相等;2、外加激励能量越高,产生的电子-空穴数量越多;5复合:复合:自由电子在运动过程中与空穴相遇并填补空穴,两者同时消失;与本征激发相反的现象与本征激发相反的现象复合复合在一定温度下,本征激发和复合同时进行,达到动态平衡,此时,电子空穴
4、对的浓度一定。6电子和空穴产生,复合过程动画演示电子和空穴产生,复合过程动画演示7半导体的导电机制:半导体的导电机制:本征半导体中存在两种载流子:自由电子自由电子和和空穴空穴在外电场作用下,半导体中出现两部电流:1 1、自由电子定向运动所成电子流(电子导电)、自由电子定向运动所成电子流(电子导电)2 2、价电子(注意:不是自由电子)递补空穴形成的空穴电流(空穴导电、价电子(注意:不是自由电子)递补空穴形成的空穴电流(空穴导电)8半导体导电机理动画演示半导体导电机理动画演示9a.电阻率大电阻率大n 本征半导体的特点本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大本征半导体不能在半导体
5、器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用10杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为的半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.N1.N型半导体型半导体在本征半导体中掺入少量五价杂质元素,例如磷,砷等,使得在本征半导体中掺入少量五价杂质元素,例如磷,砷等,使得晶体中某些原子被杂质原子所代替,杂质原子最外层有晶体中某些原子被杂质原子所代替,杂质原子最外层有5个价个价电子与周围电子与周围Si或或Ge原子最外层原子最外层4个价电子形成共价键后,还多个价电子形成共价键后,还多余一个自由电子,使得其中空穴浓度远小于自由电子浓度。余一个自
6、由电子,使得其中空穴浓度远小于自由电子浓度。此时,半导体内此时,半导体内多数载流子(多子)多数载流子(多子):自由电子,:自由电子,少数载流子少数载流子(少子)(少子)为空穴。由于此类半导体主要依靠自由电子导电,而为空穴。由于此类半导体主要依靠自由电子导电,而自由电子带负电,称此类半导体为自由电子带负电,称此类半导体为N型半导体型半导体。11+4+4+4+4+4+4+4+4+5硅原子硅原子施主原子施主原子多余电子多余电子共价键共价键+N型半导体自由电子自由电子施主原子施主原子电子空穴对电子空穴对5价杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子,把这种杂质称为施主杂质。施主杂质。
7、12N型半导体形成过程动画演示型半导体形成过程动画演示13P P型半导体型半导体在本征半导体中掺入少量在本征半导体中掺入少量3价杂质元素,例如硼、镓等,使得价杂质元素,例如硼、镓等,使得晶体中某些原子被杂质原子所代替,杂质原子最外层有晶体中某些原子被杂质原子所代替,杂质原子最外层有3个价个价电子与周围电子与周围Si或或Ge原子最外层原子最外层4个价电子形成共价键后将产生个价电子形成共价键后将产生一个空穴,使得其中自由电子浓度远小于空穴浓度。一个空穴,使得其中自由电子浓度远小于空穴浓度。此时,半导体内多数载流子(多子):空穴,少数载流子(少此时,半导体内多数载流子(多子):空穴,少数载流子(少子
8、)为自由电子。由于此类半导体主要依靠空穴导电,而空穴子)为自由电子。由于此类半导体主要依靠空穴导电,而空穴带负电,称此类半导体为带负电,称此类半导体为P型半导体型半导体。14+4+4+4+4+4+4+3+4+4硅原子硅原子受主原子受主原子多余空穴多余空穴共价键共价键空穴空穴受主原子受主原子电子空穴对电子空穴对P型半导体3价杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴,而本身接受一个电子成为带负电的离子,把这种杂质称为受主杂质。受主杂质。15P型半导体的形成过程动画演示型半导体的形成过程动画演示16+P型半导体+N型半导体+因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区(不移
9、动)空间电荷区(不移动)阻止多子扩散,促使少子漂移。阻止多子扩散,促使少子漂移。PNPN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层或阻挡区耗尽层或阻挡区PN结的形成结的形成 内电场E少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子,耗尽层窄,补充耗尽层失去的多子,耗尽层窄,E多子扩散多子扩散 又失去多子,耗尽层宽,又失去多子,耗尽层宽,EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡:动态平衡:扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流018PN结形成过程动画演示结形成过程动画演示19PN结的单向导电性结的单
10、向导电性1PN结正向偏置结正向偏置 PN结正向偏置结正向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结P型半导体型半导体的一端的电位高于的一端的电位高于N型半导体一端的电位时,称型半导体一端的电位时,称PN结正结正向偏置,简称正偏。向偏置,简称正偏。PN结反向偏置结反向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结N型半导体型半导体的一端的电位高于的一端的电位高于P型半导体一端的电位时,称型半导体一端的电位时,称PN结反结反向偏置,简称反偏。向偏置,简称反偏。20(1)加正向电压(正偏)加正向电压(正偏)电源正极接电源正极接P区,负极接区,负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方
11、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I F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流21PN结正偏动画演示结正偏动画演示22(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区,负极接区,负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN在一定的温度下,由本征激发产生的少子浓度是一定的,故在一定的温度下,由本征激发产生
12、的少子浓度是一定的,故IR基本上只与温度有关,基本上只与温度有关,而与外加反压的大小无关而与外加反压的大小无关,所以称为所以称为反向饱和电流反向饱和电流。23PN结反偏动画演示结反偏动画演示24PN结的电压与电流关系结的电压与电流关系+_PN_uiS(e1)TuUiI25PN结结的伏安特性曲线及表达式:的伏安特性曲线及表达式:PN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线正偏正偏IF(多子扩散)(多子扩散)IR(少子漂移)(少子漂移)反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿26)1(eTSUuIi 根据理论分析:根据理论分析:其中,其中,u 为为PN结两端的电压降,结两端
13、的电压降,i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流,为反向饱和电流,UT 称为温度的电压当量,一般取称为温度的电压当量,一般取26mV当当 u0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T|时时1eTUuSIi27PN结的电容效应结的电容效应当外加电压发生变化时,耗尽层的宽度要相应地随之改变,即当外加电压发生变化时,耗尽层的宽度要相应地随之改变,即PN结中存储的电荷量要随之变化,就像电容充放电一样。结中存储的电荷量要随之变化,就像电容充放电一样。(1)势垒电容势垒电容CB空空间间电电荷荷区区W+R+E+PN28(2)扩散电容扩散电容CD扩散区中电荷随外加偏扩散区中电荷
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