模电第1章半导体基础知识

第2章半导体基础及二极管（1）武汉理工大学信息工程学院电子技术基础课程组电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

本征半导体、杂质半导体

有关半导体的基本概念

自由电子、空穴N型半导体、P型半导体

多数载流子、少数载流子扩散、漂移

施主杂质、受主杂质电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1半导体基本知识主要内容1.1半导体材料1.2半导体的共价键结构1.3本征半导体1.4杂质半导体电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.1半导体材料导体：电阻率

<10-4

·cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。绝缘体：电阻率

>109

·

cm物质。如橡胶、塑料等。半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。典型的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓（GaAs，属于半导体化合物）。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础硅原子结构（14）

硅原子结构(a)硅的原子结构图最外层电子称价电子

价电子硅原子是4价元素

4价元素的原子通常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。+4(b)简化模型电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础锗原子结构（32）

锗原子结构(a)锗的原子结构图最外层也是四个价电子所以锗原子也是4价元素锗原子的简化模型和硅相同+4(b)简化模型2n2（n层）

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.2半导体的共价键结构半导体的导电性能是由其原子结构决定的。+4图2硅和锗的原子结构简化模型图1硅和锗的共价键结构图电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.3本征半导体基本概念本征半导体：完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。

本征激发：在温度作用下，束缚电子脱离共价键而形成自由电子，并在原来的位置上形成空穴的过程。空穴：当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位叫做空穴。半导体中有两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.3本征半导体基本概念本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。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

。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。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。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。（热敏性）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.3本征半导体＋4空穴自由电子图3空穴－电子对的产生由于热激发而产生自由电子，自由电子移走后留下空穴。＋4＋4＋4电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.3本征半导体＋4图4电子与空穴的移动＋4＋4＋4电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.4杂质半导体基本概念本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体有两种：N（电子）型半导体和P（空穴）型半导体。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.4杂质半导体N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价元素（杂质），如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，而五价杂质原子因提供了自由电子故也称为施主杂质。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.4杂质半导体N型半导体＋4＋5＋4＋4施主正离子多余的电子图5N型半导体的共价键结构电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.4杂质半导体P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的3价元素（杂质），如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。因3价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.4杂质半导体P型半导体＋4＋4＋4＋3受主原子图6P型半导体的共价键结构电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.4杂质半导体有关杂质半导体的几点说明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。杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。（掺杂性）杂质半导体总体上保持电中性。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2PN结的形成及特性PN结的形成扩散运动：载流子从浓度较高的区域向浓度低的区域的运动，形成的电流称为扩散电流。在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散和漂移，在它们的交界面处就形成了PN结。漂移运动：在电场力的作用下，载流子从浓度低的区域向浓度高的区域的定向运动，形成的电流称为漂移电流。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2PN结的形成及特性漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E图7载流子的扩散和漂移运动空间电荷区电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2PN结的形成及特性漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2PN结的形成及特性漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。此时PN结达到动态稳定！电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2PN结的形成及特性PN结的单向导电性－－正向导通反向截止在PN结加上正向电压或正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。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。PN结加上反向电压或反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。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。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2PN结的形成及特性－－－－++++空间电荷区变薄PN正向电流内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大图8PN结正向偏置+_电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2PN结的形成及特性－－－－++++－－－－++++空间电荷区变厚反向饱和电流很小，A级内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小图9PN结反向偏置PN+_电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础PN结的单向导电性PN结加上正向电压或正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加正向电压

导通

PN结