模电-半导体特性、PN结形成及特性

1、o 主要内容 n什么是半导体？ n本征半导体 n杂质半导体 oP型半导体 oN型半导体 nPN结的形成及特性 o 目的与要求 n了解本征半导体的结构和特征 n理解杂质半导体的结构和特征 n牢固掌握P型和N型半导体的特点 n理解PN结的形成机理，掌握其单向导电性 o 重点：PN结的单向导电性 o 难点：PN结的形成机理 半导体的导电性能由其原子结构决定的。 o 导体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料 等。 o 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)和锗(Ge)。 (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。

2、4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的 正离子和周围 4个价电子表示。 +4 (b)简化模型 +4 +4 +4+4+4 +4 +4 +4 +4 二、本征半导体 o本征半导体：完全纯净的（9个9）、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。 o单晶体中的共价键结构 共 价 键 价 电 子 o当温度 T = 0 K 时，本征半导体不导电，如同绝缘体。 +4 +4 +4+4+4 +4 +4 +4 +4 二、本征半导体 o 本征激发 自由电子 空穴 若温度升高，将有少数价电子克服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。 o 本征半导体具有微弱的导电能力，且导电能力与温度有关 空穴可看成带

3、正电的载流子 （热激发） o 电子和空穴产生过程动画演示 二、本征半导体 二、本征半导体 o自由电子-空穴对：本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的。 （成双配对） o两种载流子 n自由电子 n空穴 o复合 n由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。 n在一定的温度下，产生与复合运动会达到动态平衡，载流子的浓度就一 定了。 o载流子的浓度与温度密切相关：随着温度的升高，基本按指数规律 增加。 在 外 电 场 作 用 下 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 本征半导体导电能力 电 子 运 动 形 成 电 子 电 流 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4

4、+4 U 本征半导体导电能力 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 本征半导体导电能力 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 本征半导体导电能力 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 本征半导体导电能力 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 本征半导体导电能力 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 价电子填补空 穴而使空穴移 动，形成空穴 电流 本征半导体导电能力 半导体导电机理动画演示 (1) 在半导体中有两种载流子 这就是半导体和导体导电原理的本质区别 a. 电阻率大 (2) 本征半导体的特点 b. 导电性能随

5、温度、光照、外加电场发生变化 小结 带正电的空穴 带负电的自由电子 本征半导体能不能在半导体器件中直接使用？ 三、杂质半导体 o P 型半导体 o N 型半导体 1、N 型半导体 o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。 o掺入 杂质后，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。 5 P P o N型半导体的形成过程动画演示 1、N 型半导体 1、N 型半导体 o施主原子 oN型半导体 n多数载流子（多子）电子 n少数载流子（少子）空穴

6、 n电子浓度空穴浓度 o因电子带负电，称这种半导体为 N(negative)型或电子型半导体。 施主原子施主原子 自由电子 1、N 型半导体 o思考：空穴比未加杂质时的数目多了还是少了？为什么？ o杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导 电性越强，实现导电性可控。 在T=300K 室温下： 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3； 本征硅的电子和空穴浓度: n=p=1.41010/cm3； 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3。 该三个浓度依次相差6个数量级。 2、P 型半导体 o在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等

7、， 即构成 P 型半导体。 oP 型半导体的晶体结构 B B o P型半导体的形成过程动画演示 2、P 型半导体 2、 P 型半导体 o P 型半导体的特点 n空穴浓度远大于电子浓度，即 p n n多数载流子（多子）空穴 n少数载流子（少子）电子 o 思考： 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少 子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？ 3、杂质半导体说明 o杂质半导体的导电能力大大改善，且其导电能力由掺杂质浓度决定。 o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。 o杂质半导体总体上保持电中性。 n当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型

8、转为P型； o 杂质半导体的转型 n当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转为N型。 3、杂质半导体说明 (a) N 型半导体 o 杂质半导体的表示 (b) P 型半导体 nN 型半导体里有没有空穴？ nP 型半导体里有没有电子？ o问题 nN 型半导体里有没有空穴？ nP 型半导体里有没有电子？ o问题 nN 型半导体里有没有空穴？ nP 型半导体里有没有电子？ o问题 nN 型半导体里有没有空穴？ nP 型半导体里有没有电子？ o问题 o 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半 导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？ o 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子

9、还是少子是 影响温度稳定性的主要因素？ 问 题 o 既然P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自 由电子，所以，P型半导体带正电。此说法正确吗？ 四、PN 结的形成及其单向导电性 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。 P N PN结结 PN 结的形成 1、PN 结中载流子的运动 耗尽层 空间电荷区P N 扩散运动 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。 P N 空间电荷区产生内电场 P N 空间电荷区 内电场 UD 内电场空间电荷区正负离子之间电位

10、差 UD 电位壁垒； 内电场阻止多子的扩散 阻挡层。 漂移运动 内电场有利于少子运动漂移。 阻挡层 1、PN 结中载流子的运动 少子的运动与多子运动方向相反 1、PN 结中载流子的运动 o 扩散与漂移的动态平衡 n扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； n随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； n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。 o 空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米； o 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。 思考： 扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？

11、 PN结形成过程动画演示 1、PN 结中载流子的运动 PN结正向偏置 当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于 N型半导体一端的电位时（正向电压），称PN结正向偏置，简称正偏。 PN结反向偏置当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于 P型半导体一端的电位时（反向电压），称PN结反向偏置，简称反偏。 2、PN 的单向导电性 o PN结正向偏置 o PN结反向偏置 nPN 结外加正向电压时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结 处于导通状态； nPN 结外加反向电压时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 o PN结正偏导通，反偏截止 外电场方向 内电场

12、方向 空间电荷区 V R I P N o正向电压（正向接法、正向偏置、正偏） o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 o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。 PN 结加正向电压 PN结正偏动画演示 2、PN 的单向导电性 PN结正偏动画演示 2、PN 的单向导电性 空间电荷区 P N 外电场方向 内电场方向 V R IS PN 结加反向电压 o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。 外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 少子漂移形成反向电流I R 耗尽层变宽 漂移运动扩

13、散运动 PN结反偏动画演示 2、PN 的单向导电性 n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； n 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。 结论：PN 结具有单向导电性。 2、PN 的单向导电性 n 正偏导通，反偏截止 o 小结 o 单向导电性 其中 iD/mA 1.0 0.5 0.51.00.501.0 D/V PN结的伏安特性 iD/mA 1.0 0.5 iD=IS 0.51.00.501.0 D/V )1( / SD D T Vv eIi IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下（T=300K

14、） V026. 0 q kT VTmV 26 o PN结的伏安特性表达式 2、PN 的单向导电性 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。 热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆 3、PN 的反向击穿 + + 内电场 + + + + E + EW + 空 间 电 荷 区 + R + + I R PN 外电场 雪崩击穿：碰撞、倍增效应 7V以上 掺杂浓度低 齐纳击穿：直接破坏共价键 4V以下 掺杂浓度高 3、PN 的反向击穿 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之 改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充 放电一样。 空

15、空间间电电荷荷区区 W + + + R + E + + P N 4、PN结的电容效应 o 势垒电容CB 当外加正向电压 不同时，扩散区靠近 PN结两侧堆积的少子 的数量及浓度梯度也 不同，这就相当电容 的充放电过程。 + N P pL x 浓浓度度分分布布 耗耗尽尽层层NP 区区 区区中中空空穴穴 区区中中电电子子 区区 浓浓度度分分布布 nL o 扩散电容Ca 4、PN结的电容效应 o 扩散电容CD 4、PN 结的电容效应 o 势垒电容CB 结电容Cj Cj=CD+CB 反偏时，势垒电容Cb为主； 正偏时，扩散电容Ca为主。 本讲主要介绍了以下基本内容： o PN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒 区、阻挡层、内建电场）、动态平衡 o PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止 o PN结的特性曲线： n 正向特性：死区电压、导通电压 n 反向特性：反向饱和电流、温度影响大