清華模電數(shù)電課件第2講半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí).ppt

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第二講半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),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(wú)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(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，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(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。,半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`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(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子,自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴,自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。,共價(jià)鍵,一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。,外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。,3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子,運(yùn)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(shí)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(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)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(chǎng)，不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行。,1、PN結(jié)的形成,因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。,參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。,由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。,PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，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(guò)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(shí)，UT≈26mV,當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓，且u>>UT時(shí)，i≈ISeu/UT當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓，且|u|>>UT時(shí)，i≈-IS,四、PN結(jié)的電容效應(yīng),1.勢(shì)壘電容,PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，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(guò)程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。,2.擴(kuò)散電容,PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，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(guò)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娦裕?