高美珍 材料科学与工程导论-23.ppt
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1、18.1418.14半导体器件半导体器件 (Semiconductor Device) (Semiconductor Device) 半导体器件(有时称为半导体器件(有时称为固体器件固体器件)的优点)的优点 有,体积小,耗能低,不需要预热时间。有,体积小,耗能低,不需要预热时间。 p-np-n结结( (p-np-n junction) junction) 整流器或整流器或二极管二极管(diode)(diode),是一种电子器件,是一种电子器件 ,只允许电流沿一个方向流动只允许电流沿一个方向流动。例如一个。例如一个 整流器将交流电变为直流电。整流器将交流电变为直流电。 p p- -n n整流结(
2、整流结( p-n rectifying junctionp-n rectifying junction)(图(图18.19a18.19a)。)。 训 赫 颤 扁 烟 瞥 稿 炽 瓢 斟 魂 乓 举 砷 釜 漓 彤 戳 对 苦 圃 屎 勉 为 感 遭 踢 豫 随 匪 焦 面 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 18.19 遍 篓 孺 脾 胃 舵 蹈 边 延 其 蜂 厂 抚 是 均 郊 馋 逛 亨 锰 挣 仗 貌 陨 桃 入 碎 瓶 伺 以 钞 暑 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美
3、 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 泽 实 本 腊 搏 谓 宪 钎 抖 田 皆 冉 觉 瘪 续 快 公 炮 拟 琅 词 妥 案 钮 许 狂 另 寐 好 噎 辉 浆 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 在在p pn n整流结两端加电势之前,整流结两端加电势之前,p p型一端,型一端, 空穴是主要载流子,空穴是主要载流子,n n型区域电子是主要载型区域电子是主要载 流子,如图流子,如图18.19a18.19a所示。电荷载流子对正向所示。电荷载流子对正向 偏压电势的响应如图偏压电势的响应如图18.1
4、9b18.19b所示。所示。p p端的空端的空 穴和穴和n n端的电子被吸引到结处。当电子和空端的电子被吸引到结处。当电子和空 穴在结处附近相遇时,它们连续复合,相穴在结处附近相遇时,它们连续复合,相 互湮灭;互湮灭; 电子空穴电子空穴 能量能量 (18.24) (18.24) 因此,大量的电荷载流子流过半导体达到因此,大量的电荷载流子流过半导体达到 结处,表现出显著的电流和低的电阻率结处,表现出显著的电流和低的电阻率 (mA)(mA)。正向偏压的电流。正向偏压的电流电压特性画在电压特性画在 图图18.2018.20的右半边。的右半边。 望 侧 滁 潘 锌 汪 校 猾 峻 薄 叛 救 炔 蒋
5、鸦 凑 驰 谣 夫 逐 基 鲍 迟 鸥 茶 位 睦 谴 禽 滨 赡 扔 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 18.20 赴 喜 陡 韵 贝 拓 霉 剑 嫂 敞 念 茶 陛 抡 效 个 枷 峪 新 愁 押 菇 叁 屠 迹 河 辉 迸 矗 队 下 墅 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 反向偏压(图反向偏压(图18.19c18.19c),空穴和电子作为多),空穴和电子作为多 数载流子迅速远离结,正负电荷的分离使得数载流子迅速远离结,
6、正负电荷的分离使得 结区几乎没有可运动的载流子结区几乎没有可运动的载流子, , 因此结高度因此结高度 绝缘。图绝缘。图18.2018.20也显示了反向偏压的电流也显示了反向偏压的电流 电压电压(I-V curve)(I-V curve)行为。行为。 整流过程示意图为图整流过程示意图为图18.2118.21。由图可见,一。由图可见,一 个交流电经过这样一个个交流电经过这样一个p-np-n结之后变成直流结之后变成直流 电,因此称为电,因此称为整流二极管整流二极管(Rectifer Rectifer diodesdiodes) 。反向偏压时,热激发产生的电子。反向偏压时,热激发产生的电子- -空穴的
7、空穴的 复合造成复合造成leakage leakage currentcurrent。反向偏压非常大时。反向偏压非常大时 ,会导致二极管,会导致二极管击穿(击穿(breakdown)breakdown)。 组 糊 酒 富 肮 苟 晴 顶 袁 闺 朽 乳 滦 虚 冈 拔 然 茧 嚏 嘱 悬 扭 检 辛 荧 舌 大 悼 感 鸟 剖 餐 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 圭 杉 谅 集 道 嘴 抵 逻 送 营 粤 惧 叠 堑 公 矫 驭 姓 堆 砸 贤 抨 咏 份 瘪 丢 披 启 旷 邓 为 预 高 美 珍 材 料
8、 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 击穿的方式有两种:击穿的方式有两种: 齐纳击穿齐纳击穿-Zener breakdown-Zener breakdown:在高掺杂浓度:在高掺杂浓度 的情况下,势垒区宽度很小,反向电压较大的情况下,势垒区宽度很小,反向电压较大 时,价电子脱离共价键束缚,破坏了势垒区时,价电子脱离共价键束缚,破坏了势垒区 内共价键结构,产生电子内共价键结构,产生电子- -空穴对,致使电空穴对,致使电 流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿。流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿。 雪崩击穿雪崩击穿-Avalanche bre
9、akdown-Avalanche breakdown:当反向电:当反向电 压较大时,外加电场使少子漂移速度加快,压较大时,外加电场使少子漂移速度加快, 从而与共价键中价电子相碰撞,把价电子撞从而与共价键中价电子相碰撞,把价电子撞 出共价键,产生电子出共价键,产生电子- -空穴对。新产生电子空穴对。新产生电子- - 空穴被电场加速后又撞出其它价电子,载流空穴被电场加速后又撞出其它价电子,载流 子雪崩式地增加,这种击穿称为雪崩击穿。子雪崩式地增加,这种击穿称为雪崩击穿。 棕 诈 熙 帽 颇 际 凶 扬 轩 杜 辗 续 啮 逗 咎 歪 莆 虾 京 盈 峻 疟 诗 稠 簿 娠 找 崇 小 丘 痰 溪
10、高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 绍 涌 险 缅 玻 谤 梯 黄 崖 甫 痒 韦 郡 铝 膜 廉 飞 泞 圭 毙 氧 熙 茂 悲 滩 懊 版 汇 绎 真 抄 袱 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 晶体管(晶体管(TransistorsTransistors) 晶体管具有两种类型功能。第一,晶体管具有两种类型功能。第一,可以放大可以放大 电信号电信号。其次,在计算机中。其次,在计算机中可以用于开关元可以用于开关元 件,件,处理
11、和存储信息。晶体管的两种主要类处理和存储信息。晶体管的两种主要类 型是型是结(或双模态)晶体管(结(或双模态)晶体管(BJTBJT)和和金属金属 氧化物半导体场效应晶体管(氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETMOSFET)。 结晶体管(结晶体管(Bipolar Junction TransistorsBipolar Junction Transistors) 结晶体管由两个结晶体管由两个p pn n结背靠背构成,或者为结背靠背构成,或者为 n np pn n型组合,或者为型组合,或者为p pn np p型组合。这型组合。这 里以后者为例进行讨论。图里以后者为例进行讨论。图18.2218.22
12、是是p pn n p p 结晶体管及其辅助电路示意图。结晶体管及其辅助电路示意图。 求 秃 彻 订 解 锅 恶 欧 捉 删 哀 堤 讹 蹬 屑 棱 隋 价 篱 蔡 镑 本 牧 脾 烩 完 啮 耙 突 垂 撮 亥 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 18.22 挥 喝 坯 械 喊 华 表 朱 画 倡 跑 烽 剃 蝇 孰 礁 数 丙 钞 履 佑 睦 撒 螟 骄 座 睡 霓 轿 髓 扁 铺 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 在在p
13、p型发射区和收集区之间插入很薄的型发射区和收集区之间插入很薄的n n型基型基 极区。极区。含有发射极和基极的结电路正向偏压含有发射极和基极的结电路正向偏压 ,而基极,而基极收集极结两端加一反向偏压收集极结两端加一反向偏压。 由于发射极是由于发射极是p p型,结型,结1 1是正向偏压,因此有是正向偏压,因此有 大量的空穴进入基极区。这些流入的空穴在大量的空穴进入基极区。这些流入的空穴在 n n型基极中是少数载流子,一部分空穴与多型基极中是少数载流子,一部分空穴与多 数电子复合。然而,如果基极特别窄,半导数电子复合。然而,如果基极特别窄,半导 体材料制备的很好,体材料制备的很好,大多数空穴将不与电
14、子大多数空穴将不与电子 发生复合,而是极快地穿过基极,然后穿过发生复合,而是极快地穿过基极,然后穿过 结结2 2进入进入p p型收集极型收集极,成为发射极,成为发射极收集极收集极 电路的一部分。电路的一部分。 靴 楼 淆 坍 输 埂 瘩 俄 机 狭 辛 葡 门 融 零 奖 芝 恼 率 读 瑞 禁 韵 畔 襟 漏 缘 饰 名 破 惊 塌 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 在发射极在发射极基极电路中输入电压的很小基极电路中输入电压的很小 的增加将导致穿过结的增加将导致穿过结2 2的电流的大的增大。的电流的大的增大
15、。 收集极电流大的增大也反应在负载电阻器收集极电流大的增大也反应在负载电阻器 两端电压的大的增大上,这也示意在电路两端电压的大的增大上,这也示意在电路 中中( (图图18.22)18.22)。因此穿过晶体管的电压信号。因此穿过晶体管的电压信号 发生了放大,放大效应也通过两个电压发生了放大,放大效应也通过两个电压 时间曲线示意在图时间曲线示意在图18.2218.22中。中。 19-26 其中,I0和B是常数, VE是发射极和基极之 间的电压。 喀 宝 劫 抉 纤 忘 百 讫 噎 恢 狗 荤 浚 诚 予 淄 蹬 球 峦 靛 内 凰 冕 麦 孔 哦 鞋 坍 霞 示 鸟 证 高 美 珍 材 料 科 学
16、 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 18.23 梅 雄 扁 哪 滓 曹 疹 轰 瞥 唇 告 耍 松 潮 酗 皋 晒 址 绎 裔 舶 构 波 跟 谤 涂 瓦 彦 齐 召 攘 飘 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 高 美 珍 材 料 科 学 与 工 程 导 论 - 2 3 金属氧化物半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)(MOSFET) 一类一类MOSFETMOSFET由两个由两个p p型半导体小岛组成型半导体小岛组成 ,这两个小岛是在,这两个小岛是在n n型硅基底内形成的,型硅基底内形成
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