清華模電數(shù)電課件第2講半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識.ppt

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第二講半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 一 本征半導(dǎo)體 二 雜質(zhì)半導(dǎo)體 三 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?四 PN結(jié)的電容效應(yīng) 一 本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體 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 1 什么是半導(dǎo)體 什么是本征半導(dǎo)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(qiáng) 只有在外電場強(qiáng)到一定程度時才可能導(dǎo)電 半導(dǎo)體 硅 Si 鍺 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 2 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 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由電子 自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置 稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失 稱為復(fù)合 共價鍵 一定溫度下 自由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 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 由于載流子數(shù)目很少 故導(dǎo)電性很差 溫度升高 熱運動加劇 載流子濃度增大 導(dǎo)電性增強(qiáng) 熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電 3 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子 運載電荷的粒子稱為載流子 二 雜質(zhì)半導(dǎo)體1 N型半導(dǎo)體 磷 P 雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電 摻入雜質(zhì)越多 多子濃度越高 導(dǎo)電性越強(qiáng) 實現(xiàn)導(dǎo)電性可控 多數(shù)載流子 2 P型半導(dǎo)體 硼 B 多數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電 摻入雜質(zhì)越多 空穴濃度越高 導(dǎo)電性越強(qiáng) 三 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴(kuò)散運動 氣體 液體 固體均有之 P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū) N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū) 擴(kuò)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 產(chǎn)生內(nèi)電場 不利于擴(kuò)散運動的繼續(xù)進(jìn)行 1 PN結(jié)的形成 因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動 參與擴(kuò)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PN結(jié) 由于擴(kuò)散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子 形成內(nèi)電場 從而阻止擴(kuò)散運動的進(jìn)行 內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū) 自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動 PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通 耗盡層變窄 擴(kuò)散運動加劇 由于外電源的作用 形成擴(kuò)散電流 PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) PN結(jié)加反向電壓截止 耗盡層變寬 阻止擴(kuò)散運動 有利于漂移運動 形成漂移電流 由于電流很小 故可近似認(rèn)為其截止 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?4 PN結(jié)的電流方程 PN結(jié)所加端電壓u與流過它的電流i的關(guān)系為 IS為反向飽和電流 q為電子的電量 k為波爾茲曼常數(shù) T為熱力學(xué)溫度 將上式中kT q用UT取代 則得 常溫下 即T 300K時 UT 26mV 當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓 且u UT時 i ISeu UT當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓 且 u UT時 i IS 四 PN結(jié)的電容效應(yīng) 1 勢壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時 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 其等效電容稱為勢壘電容Cb 2 擴(kuò)散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時 在擴(kuò)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 其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd 結(jié)電容 結(jié)電容不是常量 若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度 則失去單向?qū)щ娦?