数电课件第1章 (1)

数字电子技术,电子信息工程基础课。

第一章 半导体器件基础 a1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管

1.4 BJT模型

数字电子技术,电子信息工程基础课。

1.1 半导体的基本知识在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导 体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge,它们都是4价元素。

si

Ge Ge

+4 +4

硅原子

锗原子

硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。

数字电子技术,电子信息工程基础课。

一. 本征半导体本征半导体——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99.9999999%,常称为“九个9”。 本征半导体的共价键结构 硅原子空间 排列示意图

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4束缚电子

+4

在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。

数字电子技术,电子信息工程基础课。

+4

+4

+4

当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由

+4空穴

+4自由电子

+4

+4

+4

+4

电子。 自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。

这一现象称为本征激发，也称热激发。

数字电子技术,电子信息工程基础课。

动画演示

可见本征激发同时产生

+4

+4

+4

电子空穴对。 外加能量越高(温度 越高),产生的电子空 穴对越多。与本征激发相反的 现象——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。电子空穴 对的浓度一定。

+4空穴

+4自由电子

+4

+4电子空穴对

+4

+4

常温300K时： 10 1 . 4 10 硅： cm3 电子空穴对的浓度2.5 10 锗：13

cm3

数字电子技术,电子信息工程基础课。

-

E+4 +4 +4

+自由电子

导电机制 为什么要将半 导体变成导电 性很差的本征 半导体？

+4

+4

+4

+4

+4

+4

载流子

自由电子 空穴

带负电荷 带正电荷

电子流

+总电流 空穴流

本征半导体的导电性取决于外加能量：

温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。

数字电子技术,电子信息工程基础课。

二. 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。

1. N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，砷等，称为N型半导体。

数字电子技术,电子信息工程基础课。

N型半导体硅原子 多余电子

电子空穴对

自由电子

+4

+4

+4

N型半导体+ + + + + + + +

++ +施主离子

+4磷原子

+5

+4

+

+4

+4

+4

多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴

N型半导体主要靠电子导 电，掺入杂质越多，电子浓 度越高，导电性越强，

数字电子技术,电子信息工程基础课。

2. P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。硅原子 电子空穴对 空穴

+4空穴

+4

+4- -

P型半导体 - - - - - - - -

+4硼原子

+3

+4

-

-受主离子

+4

+4

+4

P型半导体主要靠空穴导 多数载流子—— 空穴 电，掺入杂质

越多，空穴浓 少数载流子——自由电子 度越高，导电性越强，

数字电子技术,电子信息工程基础课。

杂质半导体的示意图P型半导体

少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关 多子—电子

多子—空穴 -- - 少子—电子 - - - - - -

N型半导体-- -

++

++

+ + +

+ + +

+ + 少子—空穴

在杂质半导体中，温度变化时， 杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多， 载流子的数目变化吗？少子与多 多子浓度越高，导电性越强， 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？ 实现导电性可控。

数字电子技术,电子信息工程基础课。

三. PN结及其单向导电性1 . PN结的形成PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区

形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E P型半导体 空间电荷区 N型半导体

- - -

- - -

- - -

- - -

+ + +耗尽层

+ + +

+ + +

+ + +

少子漂移电流

多子扩散电流

数字电子技术,电子信息工程基础课。

补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散

内电场E

P型半导体 耗尽层 - - - - - - - - - - - - + + +

N型半导体 + + + + + + + + +

多子扩散电流 少子漂移电流

动态平衡： 扩散电流 = 漂移电流 势垒 UO硅 0.5V 锗 0.1V

总电流=0 动画演示

数字电子技术,电子信息工程基础课。

2. PN结的单向导电性(1) 加正向电压(正偏)——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方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IF

P型半导体 空间电荷区 N型半导体 - - - - - - - - - - + + + + + + + + + +

正向电流 + -

-

+

正向 电压 动画EW

内电场 E

R

数字电子技术,电子信息工程基础课。

(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动>扩散运动 →少子漂移形成反向电流IPR

空 间 电 荷 区

N

- - - - 在一定的温度下，由本 - - - 征激发产生的少子浓度是 - -

+ + +

+ + +

+ + +

+ + + IR

一定的，故IR基本上与外 - - - 加反压的大小无关，所以 称为反向饱和电流。但IR

内电场 E

与温度有关。

EW

R

反向电压演示

数字电子技术,电子信息工程基础课。

PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导 电性。

数字电子技术,电子信息工程基础课。

3. PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图

IF(多子扩散) 反向饱和电流 反向击穿电压 正偏

反偏 反向击穿 IR(少子漂移)

电击穿——可逆 热击穿——烧坏PN结