模电=第2讲半导体基础知识

1、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 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本征半导体是纯净纯净的具有的具有晶体结构晶体结构的半导体。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？ 导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电铁、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。 绝缘体绝缘体惰性气体、橡

2、胶等，其原子的最外层电子受原惰性气体、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。 半导体半导体硅（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。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留自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。有一个空位置，称为空穴

3、。 半导体在热激发下产生半导体在热激发下产生自由电子自由电子-空穴对空穴对的现象称为的现象称为本本征激发征激发。共价键共价键 自由电子与空穴相遇时会主动填补空穴，使两者同时消自由电子与空穴相遇时会主动填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为失，这种现象称为复合复合。载流子载流子 外加电场时，带外加电场时，带负电的自由电负电的自由电子子和和带正电的空穴带正电的空穴均参与导电，均参与导电，且且运动方向相反运动方向相反分别形成电子电分别形成电子电流和空穴电流。本征半导体中的流和空穴电流。本征半导体中的电流为电子电流和空穴电流之和。电流为电子电流和空穴电流之和。并且载流子数目很少，故导电性并且载流子数目

4、很少，故导电性很差。很差。 运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。一定温度下，自由电子一定温度下，自由电子空穴对的浓度一定（本征激发与复空穴对的浓度一定（本征激发与复合运动达到合运动达到动态平衡动态平衡）；温度升高，热运动加剧，挣脱共价）；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子键的电子增多，自由电子空穴对的浓度增大。空穴对的浓度增大。 导体和半导体中的载流子是否相同？导体和半导体中的载流子是否相同？为什么？影响本征半导体中载流子为什么？影响本征半导体中载流子浓度的主要因素是什么？浓度的主要因素是什么？ 结论：本征半导体在不同的温度下，自由电子和空穴的浓度不同，所以导

5、电性能也不同，当绝对温度等于0度时，为绝缘体。就本征半导体和自然界半导体相比，本征半导体的导电性要弱。：本征半导体中掺入：本征半导体中掺入少量少量合适合适的杂质元素的杂质元素5磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，多子浓度越高，导电性越强，实现人为的导电性可控。实现人为的导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？多了？少了？为什么？3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺

6、入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强， 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？少子与多子数目的变化相同吗？少子与多子数目的变化相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？ 杂质半导体中，影响载流子浓度的主要因素是什么？影响多杂质半导体中，影响载流子浓度的主要因素是什么？影响多子浓度的因素和影响少子浓度的主要因素是否相同？为什么？子浓度的因素和影响少子浓度的主要因素是否相同？为什么？ 结论：1、N型半导体自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子；主要靠自由电子导电，掺入P元素越多，导电性越强。2、 P型半导体

7、自由电子为少数载流子，空穴为多数载流子；主要靠空穴导电，掺入B元素越多，导电性越强。 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N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。当当P型半导体和型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上时，交界面处型半导体制作在同一块硅片上时，交界面处会产生扩散运动和复合运动，出现会产生扩散运动和复合运动，出现不可移动的正负离子区不可移动的正负离子区，从，从而产生而产生内电场内电场，阻止扩散运动的继续进行，阻止扩散运动的继续进行。（内电场方向？）。（内电场方向？）P

8、区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。 因内电场作用所产因内电场作用所产生的运动称为漂移运生的运动称为漂移运动。动。 当参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，当参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡时，交界面处就形成了达到动态平衡时，交界面处就形成了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区的交界面处多数载流子浓度下降，区的交界面处多数载流子浓度下降，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区区向向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。PN结加正向电压导通：结加

9、正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电场的作用，形剧，由于外电场的作用，形成正向电流，成正向电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。a、正向特性、正向特性 b、反向特性、反向特性 （当反向电压超过反向击穿电压时，反向电流急（当反向电压超过反向击穿电压时，反向电流急剧增加，称为反向击穿）剧增加，称为反向击穿）1）齐纳击穿：掺杂浓度高，需较

10、低的反向电压，直接破坏共价键）齐纳击穿：掺杂浓度高，需较低的反向电压，直接破坏共价键2）雪崩击穿：掺杂浓度低，需较高的反向电压，少子碰撞共价键）雪崩击穿：掺杂浓度低，需较高的反向电压，少子碰撞共价键) 1e (TSUuIi1. 势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，结外加电压变化时，空间电荷区空间电荷区的宽度将发生的宽度将发生变化，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 PN结外加的正向电压变化时，在结外加的正向电压变化时，在扩散过程扩散过程中载中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等