第一章集成電路元、器件基礎(chǔ)介紹半導(dǎo)體的有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，闡述PN結(jié)的原理及主要特性，

討論以PN結(jié)為基本結(jié)構(gòu)的雙極型晶體三級(jí)管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)管

（FET）的工作原理、特性及主要參數(shù)。1/29/20231北京航空航天大學(xué)202教研室1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的概念：導(dǎo)電能力處于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料；原子之間的共價(jià)鍵很弱。1/29/20232北京航空航天大學(xué)202教研室現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。GeSi鍺原子示意圖硅原子示意圖1/29/20233北京航空航天大學(xué)202教研室1.1.1本征半導(dǎo)體概念：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。1/29/20234北京航空航天大學(xué)202教研室在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：1/29/20235北京航空航天大學(xué)202教研室硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子1/29/20236北京航空航天大學(xué)202教研室共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+41/29/20237北京航空航天大學(xué)202教研室本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體中的價(jià)電子在受熱或者光照的情況下獲得能量從共價(jià)鍵中脫離出來成為自由電子的過程。

本征激發(fā)過程產(chǎn)生兩種載流子：①自由電子②空穴復(fù)合：自由電子落入空穴，使自由電子和空穴成對(duì)消失

的過程。1/29/20238北京航空航天大學(xué)202教研室+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征激發(fā)過程：1/29/20239北京航空航天大學(xué)202教研室本征半導(dǎo)體中載流子的濃度：式中：ni表示自由電子濃度，pi表示空穴的濃度；

A0是與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)；

k是波爾茲曼常數(shù)，k=8.63×10-5(eV.K-1)；

Eg0是T=0K時(shí)的禁帶寬度。結(jié)論：本征半導(dǎo)體中的自由電子濃度和空穴濃度相同，

具體濃度值與半導(dǎo)體材料和溫度有很大關(guān)系。1/29/202310北京航空航天大學(xué)202教研室1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體概念：摻入了雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。兩種類型的雜質(zhì)元素：①施主雜質(zhì)（高價(jià)元素，提供電子）

②受主雜質(zhì)（低價(jià)元素，提供空穴）1/29/202311北京航空航天大學(xué)202教研室1.1.2.1N型半導(dǎo)體概念：在本征半導(dǎo)體中摻入高價(jià)元素（施主雜質(zhì)）使

自由電子濃度大大高于空穴濃度的半導(dǎo)體。1/29/202312北京航空航天大學(xué)202教研室+4+4+5+4多余電子磷原子摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。1/29/202313北京航空航天大學(xué)202教研室1.1.2.2P型半導(dǎo)體概念：在本征半導(dǎo)體中摻入低價(jià)元素（受主雜質(zhì)）使

空穴濃度大大高于自由電子濃度的半導(dǎo)體。1/29/202314北京航空航天大學(xué)202教研室+4+4+3+4硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子?？昭?/29/202315北京航空航天大學(xué)202教研室雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法:－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體中多子和少子的定向移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。1/29/202316北京航空航天大學(xué)202教研室1.1.2.3雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度

結(jié)論：①雜質(zhì)半導(dǎo)體中，自由電子和空穴濃度的乘積等于同溫

度下本征半導(dǎo)體中自由電子或空穴的濃度平方。②雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子的濃度近似等于摻雜濃度，少子濃度隨溫度升高而迅速增大。nnpn=ni2=pi2nppp=ni2=pi2nn=ND+pnpp=NA+npN型半導(dǎo)體：P型半導(dǎo)體：式中：nn表示N型半導(dǎo)體中自由電子濃度，pn表示N型半導(dǎo)體中

空穴濃度，np表示P型半導(dǎo)體中自由電子濃度，pp表示P

型半導(dǎo)體中空穴濃度，ni、pi分別表示本征半導(dǎo)體中自由

電子和空穴濃度，ND表示施主雜質(zhì)濃度，NA表示受主雜

質(zhì)濃度記憶1/29/202317北京航空航天大學(xué)202教研室1.1.3載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)1.1.3.1載流子在電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)概念：在外加電場(chǎng)作用下，自由電子和空穴產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)Jpt=μpqpEJnt=-(-q)nμnE=μnqnE

Jt=Jpt+Jnt=(pμp+nμn)qE式中：Jpt

表示空穴漂移電流密度

Jnt

表示電子漂移電流密度；

Jt

表示漂移電流密度；

μn表示自由電子遷移率；

μp表示空穴遷移率。1/29/202318北京航空航天大學(xué)202教研室1.1.3.2載流子在濃度梯度作用下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)概念：在濃度差的作用下，自由電子和空穴產(chǎn)生的定向運(yùn)動(dòng)式中：JnD

表示電子電流密度；

JpD

表示空穴電流密度；

Dn

表示自由電子擴(kuò)散率；

Dp

表示空穴擴(kuò)散率。1/29/202319北京航空航天大學(xué)202教研室1.2PN結(jié)與晶體二極管在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN

結(jié)。1.2.1PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡過程和接觸電位差（書中P8?。?/p>

⑴

P型區(qū)到N型區(qū)的過渡帶兩邊的自由電子和空穴濃度相差很大，在濃度差下形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴（多子）向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的自由電子（多子）向P區(qū)擴(kuò)散⑵在過渡區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的復(fù)合作用使自由電子和空穴基本消失，在過渡帶中產(chǎn)生一個(gè)空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）⑶擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使過渡帶內(nèi)失去了電中性，產(chǎn)生電位差和電場(chǎng)，分別稱為接觸電位差和內(nèi)建電場(chǎng)⑷內(nèi)建電場(chǎng)由N區(qū)指向P區(qū)阻礙多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，卻促進(jìn)過渡帶中少子的漂移運(yùn)動(dòng)1/29/202320北京航空航天大學(xué)202教研室⑸漂移運(yùn)動(dòng)中和過渡區(qū)中的電荷從而削弱內(nèi)建電場(chǎng)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，最后達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，即內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度恰好使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的速度相等，這種平衡稱為動(dòng)態(tài)平衡PN結(jié)的接觸電位差：T=300K時(shí)，VT≈26mV，為熱力學(xué)電壓；鍺的Vφ≈0.2~0.3V，硅的Vφ≈0.6~0.8V⑹這時(shí)過渡帶中的接觸電位差，內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度，空間電荷區(qū)寬度均處于穩(wěn)定值，這時(shí)我們認(rèn)為PN結(jié)已經(jīng)形成，并把P、N的過渡帶稱為PN結(jié)，PN結(jié)的寬度為空間電荷區(qū)的寬度。1/29/202321北京航空航天大學(xué)202教研室P型半導(dǎo)體區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體區(qū)++++++++++++++++++++++++①擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)③內(nèi)建電場(chǎng)E④漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。②空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。1/29/202322北京航空航天大學(xué)202教研室P型半導(dǎo)體區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體區(qū)++++++++++++++++++++++++⑤所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。1/29/202323北京航空航天大學(xué)202教研室

空間

電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)V0－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++接觸電位差,鍺的Vφ≈0.2~0.3V，硅的Vφ≈0.6~0.8V1/29/202324北京航空航天大學(xué)202教研室1.2.2PN結(jié)和晶體二極管的伏安特性與小信號(hào)等效模型在PN結(jié)上加歐姆接觸電極引出管腳便構(gòu)成晶體二極管

歐姆接觸：通過隧道效應(yīng)，消除金屬半導(dǎo)體勢(shì)壘的接觸方式引線外殼觸絲線基片點(diǎn)接觸型面接觸型PN二極管的電路符號(hào)：1/29/202325北京航空航天大學(xué)202教研室1.2.2.1單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。概念：正向偏置形成電流較大，反向偏置形成電流很小。1/29/202326北京航空航天大學(xué)202教研室－－－－++++REPN結(jié)正向偏置：內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_①多子濃度增加，結(jié)寬變薄，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。②內(nèi)電場(chǎng)被削弱，電勢(shì)差變?yōu)閂f-V，抑制少子漂移。問題：正偏時(shí)，多子濃度如何變化？結(jié)寬如何變化？1/29/202327北京航空航天大學(xué)202教研室PN結(jié)反向偏置：－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)變厚NP+_①多子濃度減少，結(jié)寬變厚，多子的擴(kuò)散受抑制。②內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，電勢(shì)差變?yōu)閂f+V，少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE

外電場(chǎng)問題：反偏時(shí)，多子濃度如何變化？結(jié)寬如何變化？1/29/202328北京航空航天大學(xué)202教研室1.2.2.2伏安特性伏安特性指流過二極管的電流與二極管兩端電壓之間

的關(guān)系式或曲線。二極管理想伏安特性可用PN結(jié)的電流方程來表示：式中：iD

表示流過二極管的電流；

vD

表示二極管兩端的電壓，正向偏置為正；

Is

表示反向飽和電流（硅：10-9～10-15A）。1/29/202329北京航空航天大學(xué)202教研室

二極管的伏安特性曲線：UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓VBR1/29/2023