《光伏发电系统建设与运营》课件-项目一 任务1：半导体的基础知识

电子技术与应用项目一：半导体器件的认知任务1：半导体的基础知识知识目标：掌握半导体材料的导电特性和PN结的基本原理；掌握P型半导体和N型半导体的结构能力目标：会识别PN结的单向导电性素质目标：培养对电子技术的兴趣，关注我国电子信息技术发展动态；形成良好的行为习惯，注意电子元器件操作安全教学目标

1.导体：电阻率

<10-4

·

cm的物质。如金、银、铜、铝等金属材料。

2.绝缘体：电阻率

>109

·

cm物质。如橡胶、塑料、干燥的木头等。

3.半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓等。硅用得最广泛，其次是锗。硅和锗都是四价元素，其原子核最外层有四个可以参与化学反应的价电子的元素.

将上述的半导体材料进行特殊加工，使其成为性能可控，即可用来制造构成电子电路的基本元件—半导体器件。半导体的基础知识半导体的基础知识硅原子结构(a)硅的原子结构图最外层电子称价电子

价电子锗原子也是4价元素+4(b)简化模型1.1.1半导体材料的主要特性（一）半导体材料的主要特性光敏特性：即半导体的导电能力对光照辐射很敏感。对半导体施加光线照射时，光照越强，等效电阻越小，导电能力越强。热敏特性：即半导体的导电能力对温度很敏感。

温度升高，将使半导体的导电能力大大增强。

应用：可以制成自动控制中常用的热敏电阻（是负温度系数）及其它热敏元件。掺杂特性：“杂质”可以显著改变（控制）半导体的导电能力。

杂质是指人为的、有目的的，在本征半导体中掺入的极其微量的三价或五价元素（如硼B、磷P）。一、半导体的奇妙特性将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。当热力学温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4价电子共价键图单晶体中的共价键结构

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。二、本征半导体1.1.1半导体材料的主要特性

+4代表四价元素原子核和内层电子所具有的净电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4图本征激发产生的电子-空穴对自由电子空穴T

若T

，将有少数价电子可以获得足够的能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴，这种现象称为本征激发。

本征激发产生的自由电子和空穴是成对出现的。空穴可看成带正电的载流子。二、本征半导体1.1.1半导体材料的主要特性二、半征半导体1.1.1半导体材料的主要特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴T

空穴很容易吸引邻近共价键中的价电子去填补，使空位发生转移，这种价电子填补空位的运动可以看成空穴在运动，但其运动方向与价电子运动方向相反。

自由电子和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象称为复合。

温度一定时，自由电子和空穴的产生与复合将达到动态平衡，这时自由电子和空穴的浓度一定。图本征激发产生的电子-空穴对1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。

3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni

=pi

。

4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断地产生又不断地复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。二、本征半导体1.1.1半导体材料的主要特性

7.本征半导体在绝对零度（T=0K相当于T=－273℃）时，相当于绝缘体。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。

8.半导体中共价键分裂产生电子-空穴对的过程叫做本征激发。

9.产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。二、半征半导体1.1.1半导体材料的主要特性

6.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。杂质半导体有两种N型半导体P型半导体

N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。三、杂质半导体1.1.1半导体材料的主要特性本征半导体导电能力差，本身用处不大，但是在本征半导体中掺入某种微量元素，却能大大改善它的导电性能。

本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。

自由电子浓度远大于空穴的浓度，即n>>p。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。三、杂质半导体1.1.1半导体材料的主要特性

3价杂质原子称为受主原子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3受主原子空穴图P型半导体的晶体结构在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体(或称空穴型半导体)。P型半导体空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。三、杂质半导体1.1.1半导体材料的主要特性说明：

1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体的表示方法如下图所示。

(a)N型半导体(b)P型半导体图1.7杂质半导体的的简化表示法三、杂质半导体1.1.1半导体材料的主要特性一、PN结及其单向导电性1.1.2PN结

在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图PN结的形成二、PN结中载流子的运动1.1.2PN结1.扩散运动

2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。耗尽层PN耗尽层空间电荷区PN二、PN结中载流子的运动1.1.2PN结3.空间电荷区产生内电场空间电荷区正负离子之间电位差UD

——电位壁垒；——

内电场；内电场阻止多子的扩散——

阻挡层。

4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。

少子的运动与多子运动方向相反PN空间电荷区内电场UD

阻挡层二、PN结中载流子的运动1.1.2PN结5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。空间电荷区的宽度约为几微米~几十微米；电压壁垒UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。三、PN结的单向导电性1.1.2PN结1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PN三、PN结的单向导电性1.1.2PN结1.PN外加反向电压（反偏）在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I

；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。三、PN结的单向导电性1.1.2PN结空间电荷区图2.5反相偏置的PN结反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS三、PN结的单向导电性1.1.2PN结

综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；

当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成导电性能极差的本征半导体，又将其掺杂，变成杂质半导体？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？1－1、判断题（1）在P型半导体中如果掺入足够量的五价元素，可将其改型为N型半导体。（

）（2）因为N型半导体的多数载流子是自由电子，所以它带负电。（

）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（

）（