第2讲半导体基本知识(第一周)

1、2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.2 PN2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性第第2 2讲讲 半导体的基本知识（半导体的基本知识（2 2学时）学时）2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 一、一、 半导体定义及材料半导体定义及材料 二、半导体的共价键结构半导体的共价键结构 三、本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用 四、杂质半导体、空穴及其导电作用杂质半导体、空穴及其导电作用什么是半导体？什么是半导体？semiconductorconductorinsulator半导体半导体指指常温常温下下导电性能导电性能介于导体与绝缘体之介于导体与绝缘体之间

2、的材料间的材料外部条件外部条件内部结构内部结构 一、一、 半导体定义及材料半导体定义及材料典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。银 铜 铝 铁 炭笔 酸溶液 盐水 地表 湿木 锗 硅 汽油 干纸 干布 玻璃 橡胶 陶瓷 导电能力导电能力绝缘能力绝缘能力二、半导体的共价键结构二、半导体的共价键结构硅原子的结构简化模型及硅原子的结构简化模型及晶体结构晶体结构特点：有序、稳定、不易破坏特点：有序、稳定、不易破坏由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对三、本征半导体三、本征半导体、空穴及其

3、导电作用、空穴及其导电作用本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。晶体形态。共价键中的空位共价键中的空位挣脱束缚的价电子挣脱束缚的价电子载流子载流子运载电荷的粒子运载电荷的粒子问题问题1 1空穴和自由电子的绝对数目是否相等？空穴和自由电子的绝对数目是否相等？问题问题2 2外部条件（温度、能量）的增加对空穴和自由电外部条件（温度、能量）的增加对空穴和自由电子数目有何影响？子数目有何影响？空穴和自由电子数目增加空穴和自由电子数目增加空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次充填空

4、穴来实现的。依次充填空穴来实现的。（相对概念，空穴也会动）（相对概念，空穴也会动）电子的移动电子的移动与外电场方与外电场方向相反向相反。E载流子的运动载流子的运动载流子的载流子的产生产生与与复合复合两种运动均两种运动均不会停止不会停止，达到，达到动态平衡动态平衡问题问题3 3在外电场作用下，空穴和自由电子会有什么运动在外电场作用下，空穴和自由电子会有什么运动趋势？趋势？问题问题4 4如何提高本征半导体的导电率？如何提高本征半导体的导电率？1、提高温度，增加能量（改善有限）2、改变半导体结构，增加空穴或电子的数量 四、杂质半导体四、杂质半导体、空穴及其导电作用、空穴及其导电作用 在本征半导体中掺

5、入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是主要是三价三价或或五价五价元素。掺入杂质的本征半导体元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。半导体。 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。半导体。 1 1） N N型半导体型半导体1 1、五价磷原子引、五价磷原子引入多余自由电子，入多余自由电子，却不引入空穴却不引入空穴 五价磷原子失去电子成为五价磷

6、原子失去电子成为正离子，正离子，五价杂质原子也称为五价杂质原子也称为施施主杂质主杂质。2 2、硅原子本征激发、硅原子本征激发产生自由电子空穴产生自由电子空穴对对问题问题1 1空穴和电子的绝对数目是否相等？空穴和电子的绝对数目是否相等？问题问题2 2空穴和电子哪个是多数载流子，哪个是少数载流子？空穴和电子哪个是多数载流子，哪个是少数载流子？ 在在N N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由热激发形成。由热激发形成。问题问题3 3N型半导体的导电的可控性与掺入的磷原子数目有何型半导体的导

7、电的可控性与掺入的磷原子数目有何关系？关系？磷原子数目越多，自由电子越多，导电性能增强。半磷原子数目越多，自由电子越多，导电性能增强。半导体的导电可控性越强。导体的导电可控性越强。 2 2） P P型半导体型半导体1 1、三价硼原子引、三价硼原子引入空位入空位 三价硼原子接受电子成为三价硼原子接受电子成为负离子，负离子，因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。2 2、硅原子本征激发、硅原子本征激发产生自由电子空穴产生自由电子空穴对对3 3、自由电子补充了、自由电子补充了空位，留下空穴空位，留下空穴问题问题4 4空穴和电子的绝对数目是否相等？空穴和电子的绝对数目是否相等？问题问题5 5空穴和电子哪

8、个是多数载流子，哪个是少数载流子？空穴和电子哪个是多数载流子，哪个是少数载流子？问题问题6 6N型半导体的导电的可控性与掺入的硼原子数目有何型半导体的导电的可控性与掺入的硼原子数目有何关系？关系？硼硼原子数目越多，空穴越多，导电性能增强。半导体原子数目越多，空穴越多，导电性能增强。半导体的导电可控性越强。的导电可控性越强。 在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 3） 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺

9、入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下响，一些典型的数据如下: : T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3问题问题7 7影响半导体器件温度稳定性的是多数载流子还是少数影响半导体器件温度稳定性的是多数载流子还是少数载流子？载流子？ 在在P P型半导体中型半导体中自由自由电子是少数载流子电子是少数载流子。 在在N N型半导体中型半导体中空穴是少数载流子空穴是少数载流子。u ！多数载流子影响半导体的导电性；少数

10、载流子影多数载流子影响半导体的导电性；少数载流子影响半导体的温度稳定性。响半导体的温度稳定性。 温度升高时，杂质半导体中产生的自由电子和空穴数目相温度升高时，杂质半导体中产生的自由电子和空穴数目相同，二者浓度的变化却不相同！同，二者浓度的变化却不相同！1 1、理解常用半导体材料、结构及其导电原理。、理解常用半导体材料、结构及其导电原理。 （本征半导体、自由电子、空穴）（本征半导体、自由电子、空穴） 本讲小结本讲小结改善本征半导体的导电性且使其可控改善本征半导体的导电性且使其可控end2 2、掌握为什么要对本征半导体添加杂质，改变、掌握为什么要对本征半导体添加杂质，改变其结构。其结构。（杂质半导

11、体、（杂质半导体、 N N型半导体、型半导体、P P型半导型半导体、多数载流子、少数载流子）体、多数载流子、少数载流子）2.2 2.2 PNPN结的形成及特性结的形成及特性 一、载流子的漂移与扩散一、载流子的漂移与扩散 二、 PN PN结的形成结的形成 三、 PNPN结的单向导电性结的单向导电性 四、 PNPN结的反向击穿结的反向击穿 五、PNPN结的电容效应结的电容效应形成形成PN结，实现单向导电性结，实现单向导电性 P型半导体和型半导体和N型半导体有什么作用？型半导体有什么作用？一、载流子的漂移与扩散一、载流子的漂移与扩散2.2.漂移运动：漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为在电场

12、作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。1.1.扩散运动：扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散扩散运动运动。二、二、PN结的形成结的形成P P型空穴浓度型空穴浓度 电子浓度电子浓度 N N型电子浓度型电子浓度 空穴浓度空穴浓度空穴空穴自由电子自由电子1 1）由载流子浓度差引起）由载流子浓度差引起扩散运动扩散运动2 2）扩散运动形成扩散运动形成空间电荷区，空间电荷区，产生产生内电场内电场3 3）内电场内电场促使少子漂移，阻止多子扩散促使少子漂移，阻止多子扩散空穴空穴自由电子自由电子扩散运动扩散运动空穴空穴漂移运动漂移运动自由电子自由电子自由

13、电子自由电子 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。 4 4）多子的扩散和少子的漂移达到）多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡，形成动态平衡，形成PNPN结结三、三、PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，区的电位，称为加称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。 1)

14、 PN1) PN结加正向电压时结加正向电压时扩散运动为主，较扩散运动为主，较大的正向扩散电流大的正向扩散电流 低电阻低电阻 2) PN2) PN结加反向电压时结加反向电压时漂移运动为主；很小的漂移运动为主；很小的反向漂移电流，近似于反向漂移电流，近似于截止截止高电阻高电阻 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 问题问题1 1PN结反向偏置时，为什么

15、只有很小的反向漂移电流？结反向偏置时，为什么只有很小的反向漂移电流？问题问题2 2随着反向偏置电压的增大，反向漂移电流如何变化？随着反向偏置电压的增大，反向漂移电流如何变化？ 反向漂移电流是由少数载流子运动形成的，浓度很小反向漂移电流是由少数载流子运动形成的，浓度很小 PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；大的正向扩散电流； PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。随着温度变化，少数载流

16、子的相对浓度变化较随着温度变化，少数载流子的相对浓度变化较大，所以反向漂移电流变化明显，速度变快。大，所以反向漂移电流变化明显，速度变快。这也是半导体器件的温度稳定性差的原因。这也是半导体器件的温度稳定性差的原因。 3) PN3) PN结结V V- -I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性)1e (/SDD TVIivI IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K）V026. 0 qkTVTmV 26 四、四、PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PNPN结的反向电压增加结的反向电压增

17、加到一定数值时，反向电流突到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为然快速增加，此现象称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿由于由于碰撞作用碰撞作用打破共价键打破共价键 齐纳击穿齐纳击穿由于由于强电场强电场作用打破共价键作用打破共价键 电击穿电击穿可逆可逆五、五、PN结的电容效应结的电容效应(1) (1) 扩散电容扩散电容C CD D计算机为什么需要有主频参数，是因为计算机为什么需要有主频参数，是因为PNPN结具有电容效应，两方面：结具有电容效应，两方面： (2) (2) 势垒电容势垒电容C CB B(1) (1) 扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图电荷的浓度变化类电荷的浓度变化类似于电容的充放电似于电容的充放电效果，形成扩散电效果，形成扩散电容容C CD D空间电荷区的宽窄空间电荷区的宽窄变化类似电容的