模电第讲半导体基础知识及N节的形成

3二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.3二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结的形成及特性第02讲教学内容3.1半导体的基本知识3.2PN结的形成及特性知识重难点理解P型和N型半导体；掌握PN结的单向导电性；了解半导体共价键结构，载流子的产生和复合，半导体的温度特性；PN结的反向击穿；教学方式1.理论部分讲授采用多媒体教学；2.实物展示。作业建议学时2半导体二极管图片项目引入3.1半导体的基本知识

半导体材料

半导体的共价键结构

本征半导体、空穴及其导电作用

杂质半导体一.导体、半导体和绝缘体1.导体:容易导电的物质，金属一般都是导体。2.绝缘体:不导电的物质,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。3.半导体(1)导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。(2)当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。称热敏特性和光敏特性。(3)往纯净的半导体中掺入某些杂质(其它化学元素)，会使它的导电能力明显改变。称掺杂性。半导体为什么有此性质呢？硅原子(14)锗原子(32)硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。二.本征半导体——完全纯净的、具有晶体结构的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。1.形成共价键结构，导电能力较弱,接近绝缘体。2.光照或受热激发价电子成为自由电子，导电能力增强。这一现象称为本征激发或热激发。三.本征半导体的共价键结构可见：本征激发同时产生电子空穴对。硅原子自由电子空穴自由电子带负电，空穴带正电，都是可以移动的粒子。+4+4+4+4光照垫或受纳热激厌发使捎半导令体导旺电能医力增堆强的膏现象妄称为本征逆激发或热激借发。可见均：本征日激发示同时腥产生尸电子冠空穴企对。自由仍电子——带负蔽电的予粒子空穴——带正膏电的嚼粒子自由领电子抵、空适穴统睛称为货载流缓子。四.杂质瞎半导邪体在本法征半牲导体妹中掺观入某腾些微职量的慰杂质巨，就早会使涨半导负体的阿导电峡性能欣发生捡显著荷变化竹。为何时呢？1、N型半习导体在硅腹或锗饮晶体还中掺保入少乌量的旁五价踏元素钩磷(或锑)。+4+4+5+4多余电子自由电子磷原子硅原子++++++++++++++++++++++++整块N型半导体示意图·。可见：a

、N型半导体中自由电子很多(多数载流子)，空穴很少(少数载流子)；b

、导电性能显著增加。施主课离子空穴硼原子硅原子2、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或铟)。+4+4+3+4－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－整块P型半导体示意图。·可见：a

、P型半导体中自由电子很少(少子)，空穴很多(多子)；b

、导电性能显著增加。受主嚼离子abc

1.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）。

4.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）ba5.在本效征半皇导体碍中加篮入元素居可形男成N型半涝导体先，加涝入元素亦可形鸡成P型半细导体恭。a.五价b.四价c.三价综述与问题N型半导体特点:

自由电子很多,空穴很少；整块N型半导体示意图:++++++++++++++++++++++++P型半导体特点:

自由电子很少,空穴很多；整块N型半导体示意图:－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－若将上述二者结合在一起，会如何？3.2PN结的形成及特性

3.2.2

PN结的形成

3.2.3

PN结的单向导电性

3.2.4

PN结的反向击穿

3.2.5

PN结的电容效应

3.2.1

载流子的漂移与扩散一.载流子的漂移与扩散漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。二.PN结的形成P型半导体N型半导体内电场二.PN结的形成空间电荷区稳定后形成PN结空间电荷区耗尽层、势垒区在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。内电场外电场IPN结变薄(1)PN结正向偏置(加正向电压)——P区加正,N区加负电压+_RE－－－－++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++当内外电场相互抵消时,PN相当于短接:正向电流I≈E/R内电场被削弱，扩散运动加强形成较大的电流。三.PN结的单向导电性I'≈0(2)PN结反向偏置(加反向电压)——P区加负、N区加正电压。PN结变厚内外电场相互加强,PN相当于断开:反向电流I'≈0内电场外电场-+RE－－－－++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++内电场被加强，扩散受抑制。漂移加强，形成较小的反向漂移电流≈0。呈现高电阻，PN结截止。PN结加拴正向鸦电压俘时，隙呈现兴低电调阻，贷具有第较大愧的正悔向扩圈散电爬流；PN结加五反向持电压糕时，缝呈现灰高电屿阻，括具有蜜很小墙的反绸向漂角移电土流。由此增可以胃得出剑结论趴：PN结具颗有单挣向导允电性帆。三.PN结的单向导电性

(3)PN结V-I特性表达式其中IS——反向饱和电流VT

——温度的电压当量且在常温下（T=300K）PN结的伏安特性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，这个电流也称为反向饱和电流。练习市：四.PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。关于PN结的反向击穿问题1、热击穿

——热击穿的特征：二极管承受很大反向电压时，反向电流急剧增大，二极管的结电阻为0，失去单向导电性，永久损坏二极管，并很容易烧坏PN结。一般的整流、检波二极管击穿时均为热击穿，因此在实际使用中应避免热击穿。2、电击穿

——电击穿的特征：可逆。在反向电压作用下反向电流急剧增大，但只要结功率不超过耗散功率，电流不超过最大值，就不会损坏二极管，当反向电压降低后，二极管仍可恢复原来的工作状态。稳压二极管(齐纳二极管)击穿时一般为电击穿。五.PN结的电容效应(1)扩散电容CD扩散电容示意图当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容C