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。4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价

2、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

3、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+4U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+4U本征半导体导电能力+4+4+4+4+4+4+4+4+4U本征半导体导电能力+4+4+4+4+4+4+4+4+4U本征半导体导电能力+4+4+4+4+4+4+4+4+4U本征半导体导电能力+4+4+4+4+4+

4、4+4+4+4U本征半导体导电能力+4+4+4+4+4+4+4+4+4U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 oP 型半导体oN 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

5、，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。5P Po 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=

6、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，即构成 P 型半导体。oP 型半导体的晶体结构B Bo 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oP 型半导体的特点n空穴浓度远大于电子浓度，即 p nn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

7、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

8、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。 PNPN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PN 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。PN 空间电荷

9、区产生内电场PN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

10、考： 扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？ 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

11、电场方向内电场方向空间电荷区VRIPNo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PN外电场方向内电场方向VRISPN 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 漂移运动扩散运动 PN结反偏动画演示2、PN

12、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/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V)1(/SDD TVveIiIS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026. 0 qkTVTmV 26 o PN结的伏安特性表达式2、PN 的单向导电性 当

13、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+IRPN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。空空间间电电荷荷区区W+R+E+PN 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。+NPpLx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nLo扩散电容Ca 4、PN结的电容效应o扩散电容CD4、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n 击穿特性：电击穿（雪