模拟电子技术基础教程(第二版)

第1章 半导体器件 【内容提要】*先介绍半导体的基础知识，包括本征半导体、杂质半导体、 PN结形成、 PN结单向导电性和 PN结电容特性。接着分别阐述半导体二极管、双极型三极管、场效应晶体管的结构、工作原理、特性曲线、主要参数和等效模型。从而为后续各章讨论由半导体器件构成的电子电路打下基础。 1.1 半导体基础知识 1.1.1 半导体特性 按照导电能力的不同，自然界的物质可以分为导体、绝缘体和半导体三类。导体具有很强的导电能力，常见的导体有铜、铝、铁、银等；绝缘体不导电，如塑料、陶瓷、石英、橡胶等；半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、砷化镓等。常温下，半导体的导电能力很弱，温度升高或者掺入杂质可以提高其导电能力。 1.1.2 本征半导体 纯净的没有掺入杂质的半导体称为本征半导体。*常见的半导体材料是硅和锗，其原子结构如图1.1.1(a)所示，*外层都是四个价电子。研究半导体导电性能时，常用价电子与惯性核组成的简化模型来表示原子，如图1.1.1(b)所示，惯性核由原子核和内层电子组成，带4个单位的正电荷。 图1.1.1 硅和锗的原子结构和简化模型 1.本征激发和复合 在本征硅半导体中，每个硅原子的四个价电子，与周围的硅原子形成四个共价键，如图1.1.2所示。价电子由于受到共价键的束缚，很难变成自由电子，因此在热力学温度 T=0K 时，本征硅半导体中没有自由移动的载流子，因而不能导电。 在受热或者外加电场的作用下，价电子的能量增加，少量价电子挣脱共价键的束缚变成自由电子。价电子从共价键中跑出后，会在原来的位置上留下一个空位，也称为空穴。 每产生一个自由电子，就会形成一个空穴，所以自由电子和空穴总是成对产生的，称为自由电子-空穴对。形成自由电子-空穴对的过程，称为本征激发，也称为热激发。 若在本征半导体两端外加一定的电压，自由电子将按照一定的方向产生定向运动，形成电子电流。另外，价电子受到电场的作用，其能量增加，从而可以挣脱共价键的束缚，填补空穴，而在原来的位置上留下一个新的空位，如图1.1.3所示。价电子依次填补空穴的运动与空穴向相反方向运动的效果相当，因此，可以把空穴视为带一个单位正电荷的载流子。所以，本征半导体中，存在两种载流子：自由电子和空穴。 图1.1.2 晶体的共价键结构 图1.1.3 本征激发时，自由电子和空穴的产生与移动 由于本征激发，不断产生自由电子-空穴对，将使载流子浓度增加。同时，自由电子在运动过程中，也会与空穴相遇释放能量，自由电子和空穴成对消失，这一过程称为复合。 2.热平衡载流子浓度 从宏观上看，本征半导体呈电中性，自由电子和空穴数量相等。在一定温度下，本征激发和复合会在某一载流子浓度上达到平衡状态，用 ni和 pi分别表示一定温度下的本征半导体中自由电子和空穴的浓度，则有 (1.1.1) 本征半导体中载流子浓度和温度的关系为 (1.1.2) 式中， A是与半导体材料、载流子有效质量、载流子能级相关的常量，硅材料；锗材料；T为热力学温度； k为玻尔兹曼常数； Ego为时，破坏共价键所需要的能量，又称禁带宽度(forbidden gap)，硅材料，锗材料 。可以看出，时，载流子浓度为0，本征半导体中无自由运动的载流子。温度升高，自由电子和空穴浓度增大，本征半导体导电能力相应增强。 时，本征硅半导体中载流子浓度为，本征锗半导体中载流子浓度为。两种半导体中载流子浓度和原子密度(约为1022 cm-3量级)相比是微不足道的，所以本征半导体导电能力很弱，不能直接用来制作半导体器件。 1.1.3 杂质半导体 在本征半导体中，掺入少量杂质，可显著提高半导体的导电性能。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体可以分为 N型半导体和 P型半导体。 1. N型半导体 在本征半导体中，掺入五价的杂质元素(如磷、砷、锑等)构成 N型半导体。五价杂质原子在与周围的硅原子形成共价键时，会多余一个电子，这个多余的电子不受共价键的束缚，在热激发或其他条件下，很容易挣脱原子核的束缚，变成自由电子。杂质原子由于失去一个电子而变成带一个单位正电荷的杂质离子。 N型半导体结构示意图如图1.1.4(a)所示。由于杂质原子能够提供电子，所以称其为施主原子。在 N型半导体中，除了掺杂产生自由电子外，由于本征激发，也会形成少量的自由电子-空穴对。掺入五价杂质，使得自由电子浓度提高，与此同时，掺杂形成的自由电子会和空穴相遇而发生复合现象，使得空穴浓度进一步降低。所以， N型半导体中，自由电子是多数载流子，简称多子，空穴是少数载流子，简称少子。 N型半导体可用图1.1.4(b)简化表示。 图1.1.4 N型半导体结构示意图和简化表示 N型半导体中，自由电子主要由掺杂产生，此外，本征激发也产生了少量的自由电子。若用 nN表示 N型半导体中自由电子的浓度， pN表示 N型半导体中空穴的浓度， ND表示施主原子的浓度，由于整块半导体必定满足电中性条件，因此三者有如下关系： (1.1.3) 式(1.1.3)表明： N型半导体中，自由电子浓度等于空穴浓度与施主原子的浓度之和，整个半导体呈电中性。 通常，，则nN≈ND ，表明自由电子浓度近似等于施主原子的浓度，与温度无关。 理论可以证明，一定温度下，两种载流子浓度的乘积恒等于本征载流子浓度值 ni的平方，即 (1.1.4) 可见，一定温度下，N型半导体中，空穴浓度与自由电子浓度成反比。因此，随着掺杂浓度增加，自由电子浓度增加，空穴浓度则相应减小。当温度升高时，本征载流子浓度 ni会随温度增加，多子(自由电子)的浓度由掺杂决定，基本不受温度影响，少子(空穴)的浓度会随着温度的升高而增加。 2. P型半导体 在本征半导体中，掺入三价的杂质元素(如硼、铝等)则构成 P型半导体。三价杂质原子在与周围的硅原子形成共价键时，由于缺少一个电子，从而在共价键中留下一个空位(空穴)，邻近共价键中的电子很容易受到激发来填补这个空位。杂质原子由于得到一个电子而变成带一个单位负电荷的杂质离子。 P型半导体结构示意图如图1.1.5(a)所示。由于杂质原子能够接受电子，因此称其为受主杂质。在 P型半导体中，由于本征激发，会形成少量的自由电子-空穴对。掺入三价杂质，使得空穴浓度提高，与此同时，掺杂形成的空穴会和自由电子相遇而发生复合现象，使得自由电子浓度进一步降低。所以， P型半导体中，空穴是多数载流子，简称多子；自由电子是少数载流子，简称少子。 P型半导体可用图1.1.5(b)简化表示。 图1.1.5 P型半导体结构示意图和简化表示若用 nP表示 P型半导体中自由电子的浓度， pP表示 P型半导体中空穴的浓度， NA表示受主原子的浓度，类似于 N型半导体浓度的分析，对于 P型半导体，有 (1.1.5) (1.1.6) 可见，一定温度下， P型半导体中，多子空穴浓度由掺杂浓度决定，自由电子浓度与空穴浓度成反比。因此，随着掺杂浓度增加，空穴浓度增加，自由电子浓度则相应减小。当温度升高时，本征载流子浓度 n会随温度增加，多子(空穴)的浓度由掺杂决定，基本不受温度影响，少子(自由电子)的浓度会随着温度的升高而增加。 【例1.1.1】一块 N型硅半导体，已知掺杂浓度为，室温 T=300K 时，本征载流子浓度，试求该温度下，杂质半导体中自由电子和空穴的浓度。 解：N型半导体中，自由电子的浓度约等于施主原子的浓度自由电子和空穴浓度的乘积恒等于本征载流子浓度值 ni的平方，故 可见，掺杂可以大大改变半导体内载流子的浓度。掺杂浓度决定了多子的浓度，掺杂使多子浓度提高了104量级，温度对其影响很小；掺杂使得少子浓度大大降低，如果温度发生变化，本征载流子浓度 ni( pi)随之变化，少子浓度会有显著的变化。 1.1.4 PN结形成 将本征硅(或锗)半导体的一侧掺杂为 P区，另一侧掺杂为 N区，则 P区和 N区的交界面上将形成正负离子集中的薄层，称为 PN结。 在 P型和 N型半导体交界面两侧，电子和空穴的浓度截然不同。 P区空穴浓度高，NPN结形成区自由电子浓度高。交界面两侧存在浓度差，P区的多子空穴、 N区的多子自由电子会向对过程方扩散，如图1.1.6(a)所示。多子一边扩散一边复合，交界面两侧留下正、负离子集中的薄层，如图1.1.6(b)所示，称为空间电荷区，也称为 PN结。空间电荷区将形成从正电荷指向负电荷的电场E内 ，称作内电场，其方向从 N区指向 P区。由于空间电荷区没有自由移动的载流子，因此也称为耗尽层。多子由于浓度差而向对方扩散的运动，称为扩散运动。扩散运动的结果使得空间电荷区变宽，内电场增强。空间电荷区的内电场将阻碍多子进一步向对方扩散，所以空间电荷区又称为阻挡层。内电场形成以后， P区的少子自由电子、 N区的少子空穴将在电场的作用下向对方运动。少子在电场作用下向对方的运动，称为漂移运动。漂移过来的少子，将中和空间电荷区的正负离子，使得空间电荷区变窄，内电场减弱。*终，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度保持不变。 图1.1.6 PN结的形成 达到动态平衡的 PN结，内电场从 N区指向 P区，说明 N区的电位比 P区高，交界面两侧存在一定的电位差，称为接触电位差 Uφ。所以，空间电荷区也是电势累积的区域，故也称为势垒区。接触电位差的大小由式(1.1.7)决定。 式中，pP、nN分别为 P区空穴的浓度和 N区电子的浓度； UT为温度的电压当量，由式(1.1.8)计算。 (1.1.8) 式中， q为一个电子的电荷量，。常温 T=300K时，的大小一般为零点几伏。 T=300K时，硅的Uφ为0.6～0.8V，锗的Uφ为0.2～0.3V。 当 P区和 N区的掺杂浓度相同时，空间电荷区在两个区域的宽度相等，称为对称 PN结。当 P区和 N区的掺杂浓度不等时，空间电荷区主要向掺杂浓度低的一侧扩展，浓度高的一侧的宽度较小，这样的 PN结称为不对称 PN结，如图1.1.7所示。 图1.1.7 不对称 PN结示意图 1.1.5 PN结单向导电性 PN结的单向导电性是指外加不同极性电压时， PN结的导电能力会表现出巨大的反差。PN结单向导电性是 PN结的基本特性。导电性结正偏将 PN结的 P区接电源的正端， N区接电源的负端，这种接法称为 PN结正向偏置，简称 PN结正偏。 如图1.1.8所示，PN结正偏时，外加电场的方向从 P区指向 N区，外加电场将促进多子向对方的扩散运动，多子向空间电荷区运动，会中和一部分正、负离子，从而使得空间电荷区变窄。外加电场方向与内电场方向相反，削弱了内电场的作用，使得多子扩散运动 图1.1.8 PN结外加正向电压