半导体基本知识

第一章常用的半导体器件1.1半导体基础知识①导体：非常容易导电一般金属都是导体②绝缘体：基本不导电如：橡胶、陶瓷、塑料等③半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。高价元素，原子的最外层电子受原子核的束缚力很强常用的硅、锗均为四价元素结构：低价元素，最外层电子少于4个1.1.1本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体材料是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。即本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。硅和锗的晶体结构一、本征半导体的晶体结构

晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，形成本征半导体的共价键结构。共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子

常温下价电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，本征半导体的导电能力很弱。

温度升高或受到光的照射时，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。+4+4+4+4自由电子(带负电）空穴原子带正电空穴带正电

半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征半导体外加电场：①自由电子定向移动，形成电子电流②价电子依次填补空穴，空穴定向移动，形成空穴电流本征半导体电流是两个电流之和。本征半导体中有两种载流子，自由电子和空穴均参与导电。特殊性质电子空穴对D:\模电\第1章常用半导体器件\动画\电子空穴对的产生.avi的产生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半导体中载流子的浓度

一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，且自由电子与空穴的浓度相等。

温度升高，热运动加剧，自由电子增多，空穴也随之增多，即载流子的浓度升高，导电性能增强。本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。T=0K，自由电子与空穴的浓度均为零，本征半导体为绝缘体。本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入掺入少量合适的杂质元素掺入五价元素（如磷）一、N型半导体+4+4+5+4多余电子

杂质原子最外层有五个价电子，除了与其它硅原子形成共价键，还多出一个电子。自由电子常温下，热激发正离子施主原子杂质原子可以提供电子，称之为施主原子。N型半导体中的电子产生：1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度，主要靠自由电子导电。∴

N型半导体中：自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。注：掺入杂质的浓度不同，导电性不同二、P型半导体

杂质原子最外层有三个价电子，与周围原子形成共价键会形成空位。硅原子的外层电子来填补空位，在共价键中产生空穴。P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。掺入三价元素（如硼）+4+4+3+4空穴受主原子杂质半导体简化模型负电子（受主原子）P型半导体空穴自由电子正电子（施主原子）自由电子空穴N型半导体1.1.3PN结一、PN结的形成将P型半导体和N型半导体制作在同一硅片上

在P型半导体和N型半导体的交界面处，两种载流子的浓度差很大，载流子进行扩散运动。P区的空穴向N区扩散N区的电子向P区扩散交界面处自由电子与空穴复合

P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区。形成内电场，由N区指向P区。阻止多子扩散动画：PN结的形成促使少子漂移最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡P型半导体和N型半导体结合面，形成PN结。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区扩散运动使空间电荷区逐渐变宽漂移运动使空间电荷区逐渐变窄扩散电流等于漂移电流，PN结内没有电流流过。

当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。内电场空间电荷区耗尽层电子空穴P区N区二、PN结的单向导电性

在PN结的两端外加电压，破外原来的平衡状态。①外加正向电压电源正极接PN结的P端，负极接N端②外加反向电压电源负极接PN结的P端，正极接N端P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置或正向接法。

(1)PN结加正向电压时的导电情况

外加的正向电压方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

PN结加正向电压时的导电情况如图所示。

扩散电流源源不断进行，形成正向电流，PN结导通。

(2)PN结加反向电压时的导电情况

外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场阻止扩散运动进行，加剧漂移运动，形成反向电流。

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。

PN结外加正向电压，具有较大的正向扩散电流；由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流。现象：注：PN结导通时结压降只有零点几伏，所以应在它所在回路串联一个电阻，以限制回路电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

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）abc思考题：三、PN结的电流方程

理论分析表明：PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：IS—反向饱和电流，q—电子的电量k—玻尔兹曼常数，T—热力学温度令UT=kT/q，则得：常温下，即T=300K时，UT≈26mV。

当PN结外加正向电压，且u>>UT时，即i随u按指数规律变化；

当PN结外加反向电压，且|u|>>UT时，四、PN结的伏安特性当反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，称为反向击穿。击穿：齐纳击穿、雪崩击穿i≈-IS①齐纳击穿②雪崩击穿掺杂浓度越高，耗尽层宽度窄不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空穴对，致使电流急剧增大。∴齐纳击穿电压较低，一般低于4V掺杂浓度较低，耗尽层宽度宽低电压下不会发生齐纳击穿，当反向电压增加到较大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子—空穴对，新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加。雪崩击穿电压一般大于6V

击穿电压介于4V~6V，齐纳击穿和雪崩击穿有可能同时发生。

当电击穿后，继续提高反向电压，流过PN结的反向电流增大到一定值，会使PN结因过热而损坏。（热击穿）

PN结的击穿并不意味着损坏，但是若不对电流加以限制都均可能造成PN结的永久损坏。当反向电压增加使PN结刚开始击穿时，反向电流还不大，此时若降低反向电压，PN结仍能正常工作。（电击穿）

五、PN结的电容效应(2)扩散电容Cd(1)势垒电容Cb表征耗尽层内电荷量的变化。表征耗尽层外中性区(P区和N区)内电荷量的变化。PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。(1)势垒电容Cb

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。(2)

扩散电容Cd

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散