第2讲半导体基础知识

1、第二讲第二讲 半导体基础知识半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应一、一、本征半导体本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下

2、很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。1、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣

3、脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。+4+4+4+4在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于补，这样的结果相当于空穴的迁移

4、，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴动，因此可以认为空穴是载流子。是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。2、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子载流子载流子 外加电场时，带负电的自由电子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。故导电性很差。本征半导体中电流由两部分组成：本

5、征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。重要的外部因素，这是半导体的一大特点。二、杂质半导体 1. N型半导体型半导体5磷（磷（P）施主原子施主原子 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。子浓度越高，导电

6、性越强，实现导电性可控。多数载流子多数载流子1.1.由施主原子提供的电子，浓度由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子本征半导体中成对产生的电子和空穴。和空穴。3.掺杂浓度远大于本征半导体中掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由电子浓度载流子浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？2. P型半导体型半导体3硼（硼（B）受主原子受主原子多数载流子多数载流

7、子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，空穴是多子，电子是少子。空穴是多子，电子是少子。掺入掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？杂质半导体的示意表示法：杂质半导体的示意表示法：P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要

8、是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。小结小结 1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。 2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。 4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。 5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。三、三、PN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气物质因浓度差而产生的运动称

9、为扩散运动。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。续进行。P型半导体型半导体N型半导体型半导体+多子扩散运动多子扩散运动内电场内电场E少子漂移运动少子漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越

10、强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。多子多子多子多子少子少子少子少子PN结的形成结的形成 因电场作用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，从而阻止扩散运动

11、的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。1.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴. .N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意: : PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加

12、负电压。区加负电压。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。PN结的单向导电性结的单向导电性+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE四、四、PN结的结的电流方程电流方程mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常温下温度的温度的电压当量电压当量五、五、PN结的电容效应结的电容效应1. 势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容扩散电容 P