清华模电1章 常用半导体器件

第 1 章 常用半导体器件1.11.2

半导体基础知识半导体二极管

1.31.4

双极型晶体管场效应管

1.51.6

单结晶体管和可控硅集成电路中的元件

第1 章 常用半导体器件1.1 半导体基础知识

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。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，都为四 价元素。典型的半导体有硅Si和锗Ge。 半导体的导电机理不同于其他物质，所以它具有不同于其 他物质的特点，例如： 半导体的导电性对温度很敏感，在光照和热辐射条件下， 导电能力明显变化，可用来制作热敏和光敏器件。半导体材料 对温度和光照的敏感性，又是造成半导体器件温度稳定性差的 原因。 在纯净的半导体中掺入杂质元素时会使它的导电能力明显 变化，即导电性具有可控性

1.1.1 本征半导体 ——纯净的具有晶体结构半导体。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”。

图1.1.1 本征半导体结构示意图

半导体在绝对零度(-273℃ )时不导电。在常温下由于 热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键 的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位 成为空穴。

图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴

本征半导体的导电特性：1 载流子：运载电荷的粒子。 本征半导体有两种载流子：自由电子、空穴

2 自由电子和空穴成对出现，成对消失(浓度相等)。自由电子和空穴成对出现称为本征激发，成对消失称复合。 激发和复合相等时，载流子浓度一定(动态平衡) EGO 2 kT

ni pi K1T eT为热力学温度，k为波尔兹曼常数

3 2

EGO为T=0时禁带宽度 硅为1.21eV 锗 1.76eV K1与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常数。 硅为3.87*1016cm· -3/2 锗为1.76*1016cm· -3/2 K K

ni pi K1T e

3 2

EGO 2 kT

由上式可以看出，当T=0时 ni=pi=0 绝缘体环境温度↑ → 自由电子↑ 、空穴↑ → 载流子浓度↑ →导电性增强 常温T=300K时，硅：ni=pi=1.43*1010 /cm3 锗： ni=pi=2.38*1010/ cm3

可以看出，本征半导体导电性能很差，且与环境温度有关， 可以用半导体对温度的敏感性来制作热敏光敏元件，同时这 也是造成半导体温度稳定性差的原因。

1.1.2 杂质半导体 一 N型半导体(N—Negative负) 在本征半导体中掺入五价元素，如P(磷)、Se(砷)等。

N型半导体中电子浓度远大于空穴浓度，所以称自由电子为 多子(多数载流子),空穴为少子(少数载流子) N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多 子浓度越大，导电性越强。

二 P型半导体 (P—Positive正) 在本征半导体中掺入三价元素，如B、AL等。 三个价电子

在周围Si(Ge)原子形成共价键时出现一个空 穴，室温时可吸收自由电子填充，杂质原子也变为带负 电荷的原子，所以此三价杂质原子称受主原子。 多子——空穴 少子——电子

1.1.3

PN结

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制 作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成了PN结。

三 PN结的电流方程 PN结所加端电压 u 与流过它的电流 i 的关系qu kT i I s e 1

kT

q

用UT代替，得到

Uu i I s e T 1

常温下，即T=300K时， UT=26mV

Is为反向饱和电流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。

四 PN结的伏安特性

i Is e

u UT

1

u U T

i ISe

u UT

正向特性

u 0 且 | u | U T

i -I S

反向特性

正向特性 反向击穿电压

反向特性

PN结的反向击穿 可恢复 雪崩击穿 低掺杂情况下，反 向电压达到较大数 值，电子或空穴在 空间电荷区获得能 量后撞击其他的共 价键中的电子，使 其脱离共价键的束 缚，产生大量成对 的电子空穴，使载 流子迅速增多 电击穿

击穿电流很大.功率很大

热击穿 不可恢复

齐纳击穿

高掺杂情况下，低 电压就可在PN结空 间电荷区存在一个 强电场，可以直接 将电子从共价键中 拉出来形成很大的 反向电流。

一般掺杂浓度 高的PN结形成 的电场强，容易 产生齐纳击穿 可以利用该效应 制成稳压二极管

五 PN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 (正偏、反偏时都存在) 耗尽层的电荷量随外加电压变化而变化，所等效的电

容，它与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数、外加电压有关。 二是扩散电容Cd (反偏时可忽略)

多子扩散到PN结另一方成为另一方的少子，外加电压变化引起扩散区内积累的电荷量变化而等效的电容。

PN结的结电容：Cj=Cb+Cd

Cb Cd都是非线性电容，在正向偏置时，以扩散电容Cd为 主，在反向偏置时以势垒电容Cb为主， Cb Cd都很小，一 般为几pF至几百pF,所以当工作频率很高时要考虑结电容 作用。

1.2

半导体二极管

半导体二极管的几种常见结构 二极管的伏安特性 二极管的主要参数 二极管的等效电路 稳压二极管 其他类型二极管

PN结加上引出线和管壳就构成半导体二极管，P区

引出极为阳极，N区引出极为阴极。P N

二极管的几种外形

1.2.1 半导体二极管的几种常见结构

点接触型：结面积小，通过电流小， 结电容小，高频

适用 面接触型：结面积大，通过电流小， 结电容大，整流适用

符号平面二极管：扩散法，分结面积大小两种，整流/弱电

1.2.2 二极管的伏安特性 (volt ampere characteristic)正向特性

反向特性 击穿电压

导通电压： Si:0.6~0.8V Ge:0.1~0.3V

Si反向电流比Ge管小， Si管单向性好

开启电压 Si: Uon=0.5V Ge: Uon=0.2V

随温度的升高，正向特性曲线左移，反向特性曲线下移 (正向压降减小，反向电流增大)