射频电路设计第六章.ppt

:锗(ce)、硅(si)和***化镓(GaAs)半导体为例,简明地介绍构筑半导体器件模型的基本模块,特别是PN结的作用。如右图(a)原理性地给出了纯硅的键价结构:每个硅原子有4个价电子与相邻原子共享,形成4个共价键。其中有一价键热分离(T>oK),造成一个空穴和一个运动电子。A、当不存在热能时,即温度为绝对零度(T=oK或T=-),所有电子都束缚在对应原子上,半导体不导电。B、当温度升高时,某些电子得到足够的能量,打破共价键并穿越禁带宽度Wg=Wc—Wv,如图b所示(在室温T=300K,,,)。这些自由电子形成带负电的载流子,允许电流传导。在半导体中,用n表示传导电子的浓度。当一个电子打破共价键,留下一个带正电的空位,后者可以被另一电子占据。这种形式的空位称为空穴,其浓度用p表示。(a)中图示了平面晶体布置示意图,在图6.(b)显示了等效能带图示,图中在价带Wv中产生一空穴,在导带Wc中产生——电子,两个带之间的带隙能为Wg。:当存在热能(T〉oK)时,电子和空穴穿过半导体晶格作无规运动。如果一电子正好碰到一空穴,两者即结合,荷电互相抵消。在热平衡状态下电子和空六的结合数与产生数是相等的。其浓度遵从费米(Fermi)统计而有:其中分别是在导带(Nc)和价带(Nv)中的有效载流子浓度。m对应半导体中电子和空穴的有效质量,由于与晶格的相互作用,它们不同于自由电子的静止质量,k是波尔茨曼常数,h是普朗克常数,T是绝对温度(K)。一、本征半导体:由热激发产生的自由电子数等于空穴数,即n=p=ni,所以电子和空穴的浓度按以下的浓度定律表述:ni是本征浓度,该式对掺杂半导体也适用n和p分别表示与导带和价带相关联的能级;WF是Fermi能级,电子有50%的概率占据该能级。对本征(纯)半导体,在室温下其费米能级非常靠近禁带的中部。:材料的电导率为σ=J/E, J是电流密度,(Drude模型)下,电导率可通过载流子浓度N,有关元素的荷电量q,漂移速度vd以及电场E给出:在半导体中,电子和空穴两者都对材料的电导率有作用。在低电场下载流子的漂移速度正比于外加电场强度,其比例常数称为迁移率µd。则:其中µn和µp分别为电子和空穴的迁移率。对于本征半导体,由于有n=p=ni,则:环境温度对半导体的电性能有很大影响。由功率损耗使器件内部加热,可造成超过100—1500c的温升。注:在例题中忽略了带隙能随温度的变化,这将在第7章中讨论。、掺杂半导体:通过引入杂质原子可以引发半导体的电特性作较大的改变。这种过程称为掺杂。1、N型半导体:为获得N型掺杂(提供附加电子到导带),所引入的原子较之原来在本征半导体晶格上的原子有更多的价电子。如:将磷(P)原子移植到si内,就在中性晶格内提供了弱束缚电子,如右图(b)由直觉看出:“额外”电子的能级比其余4个价电子的能级更接近导带。,形成自由负电荷,留下固定的磷正离子。这样,当仍保持电中性时,该原子施舍一个电子到导带,而价带中没有产生空穴。由于在导带中有了更多的电子,结果就导致Fermi的增高。成为N型半导体,其中电子浓度nn和少数空穴浓度Pn有如下关系:其中nD为施主浓度代入方程得:当nD>>ni则:惑细斤峨享帝偶渊迟适媒乏攻旬丽笨齿趁捅摇愤揽柏踞镍缔夜更随敖注矿射频电路设计第六章