模电课件半导体基础知识

模电课件半导体基础知识第1页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/111.熟悉P型、N型半导体的基本结构及特性；2.掌握PN结的单向导电性。1.P型、N型半导体的形成和电结构特点；

2.PN结的正向和反向导电特性。§1.1半导体基础知识学习目标：学习重点：第2页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11§1.1半导体基础知识

一、本征半导体1、半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是四价元素。硅原子锗原子下一页上一页章目录

硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。晶体结构是指晶体的周期性结构。即晶体以其内部原子、离子、分子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征第3页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11空穴自由电子2、本征半导体的晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4（1）共价键：相邻两个原子共用一对最外层电子（价电子）的组合称为共价键。（2）束缚电子：共价键中的价电子受共价键的束缚。（3）自由电子：共价键中的电子获得一定能量（热能）后，挣脱共价键的束缚（本征激发），形成自由电子。（4）空穴：电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后，共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴带正电。下一页上一页章目录共价键束缚电子第4页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子运动方向与空穴运动方向相反。3、本征半导体中的两种载流子自由电子载流子空穴载流子：能够自由移动的带电粒子。第5页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/114、本征半导体中载流子的浓度

本征激发：半导体在受热或光照下产生“电子空穴对”的现象称为本征激发。

复合：自由电子填补空穴，使两者消失的现象称为复合。

动态平衡：在一定温度下，本征激发产生的“电子空穴对”，与复合的“电子空穴对”数目相等，达到动态平衡。在一定温度下，载流子的浓度一定。下一页上一页章目录+4+4+4+4+4+4+4+4+4第6页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11下一页上一页章目录本征半导体载流子浓度为：

T=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低，导电能力差。Si：1.43×1010cm-3

Ge：2.38×1013cm-3

T：热力学温度；k：玻耳兹曼常数（8.63×10-5eV/K）；K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。（Si：3.87×1016cm-3·K-3/2

，

Ge：1.76×1016cm-3·K-3/2

）；EGO：热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度（Si：1.21eV，Ge：0.785eV）；第7页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11自由电子施主离子电子空穴对自由电子二、杂质半导体1、N型半导体下一页上一页章目录

掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。在本征半导体中掺入微量五价元素。++++++++++++N型半导体硅原子多余电子磷原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子---自由电子少数载流子--空穴

第8页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11受主离子电子空穴对空穴2、P型半导体下一页上一页章目录在本征半导体中掺入微量三价元素。－－－－－－－－－－－－P型半导体硅原子空位硼原子多数载流子--空穴少数载流子—自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+3空穴第9页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/111.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba第10页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11三、PN结1、PN结的形成下一页上一页章目录形成过程：P型和N型半导体结合扩散运动内电场建立阻碍扩散运动促使漂移运动动态平衡形成空间电荷区PN结形成多子浓度差空间电荷区耗尽层N区P区内电场－－－－－－－－－－－－++++++++++++自由电子空穴第11页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/112、PN结的单向导电性（1）PN结上加正向电压下一页上一页章目录空间电荷区N区P区－－－－－－－－－－－－++++++++++++内电场外电场①外电场将载流子推入空间电荷区，抵消一部分空间电荷，使空间电荷区变窄，削弱内电场；②扩散运动增强，漂移运动减弱，平衡被打破，扩散运动大于漂移运动；③在电源的作用下，扩散运动不断进行，形成正向电流，PN结处于导通状态。I第12页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11（2）PN结上加反向电压下一页上一页章目录空间电荷区N区P区－－－－－－－－－－－－++++++++++++内电场外电场①外电场与内电场方向一致，空间电荷区变宽，内电场增强；②扩散运动减弱，漂移运动增强，平衡被打破，漂移运动大于扩散运动；③漂移运动是少子的运动，少子浓度小，形成反向电流很小，PN结处于截止状态。IS第13页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/11（3）PN结单向导电性3、PN结的电流方程下一页上一页章目录PN结加正向电压，结电阻很小，正向电流较大，处于导通状态；PN结加反向电压，结电阻很大，反向电流很小，处于截止状态；其中：IS：反向饱和电流；q：电子电量；

k：玻耳兹曼常数；T：热力学温度.令：则：第14页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/114、PN结的伏安特性下一页上一页章目录uiOU(BR)（1）正向特性（2）反向特性当u>>UT时，当a、b、当反向电压超过一定数值U(BR)后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。齐纳击穿:雪崩击穿:较高反向电压在PN结空间电荷区形成一个强电场，直接破坏共价键形成“电子空穴对”，使得电流急剧增大；电子及空穴与晶体原子发生碰撞，使共价键中电子激发形成自由电子空穴对。第15页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/115、PN结的电容效应势垒电容Cb当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同，如图所示。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。当PN结加反向电压时，Cb明显随u的变化而变化，利用这一特性制成各种变容二极管。第16页，共17页，2023年，2月20日，星期五2023/4/115、PN结的电容效应扩散电容Cd平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到