二极管三极管场效应管
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第一章 半导体器件基础
教学时数：8学时 重点与难点： 1、PN结的原理和二极管的等效电路。 2、半导体内部载流子运动规律。 3、晶体二极管、晶体三极管、结型场效应 管、绝缘栅型场应管的工作原理和特性曲 线。
1
§1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝 缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。
N型半导体结构
提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而 单位正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为 施主杂质。N型半导体的结构示意图如下图所示。
自由电子 磷原子核
所以，N型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子—多数载流子（由两部分组成） 空穴——少数载流子
13
2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、 铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 因三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。当相邻共价键上 的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而 产生新的空穴。空穴是其主要载流子。
3
1.1.2 本征半导体
1. 本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半 导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%， 常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。 电子技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其 简化原子结构模型如下图：
电子 硅 锗
外层电子受原子核的束缚 力最小，成为价电子。物 质的性质是由价电子决定 的。 4
空穴 空间电荷区 耗尽层 电子
P区
内电场
百度文库N区
18
PN结的形成
对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形 成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少 多子，所以也称耗尽层。由于耗尽层的存在，PN结的 电阻很大。 PN结的形成过程中 的两种运动： 多数载流子扩散 少数载流子飘移
空穴在晶体中的移动（动画）
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1.1.3
杂质半导体
(1) N型半导体
(2) P型半导体
在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。掺入杂质的本征半导体 称为杂质半导体。
11
1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷 可形成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质 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。 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；另外，硅晶 体由于热激发会产生 少量的电子空穴对， 所以空穴是少数载流 子。 12
本节中的有关概念
• 本征半导体、杂质半导体
• 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体
• 自由电子、空穴
• 多数载流子、少数载流子
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2.2 PN结及其特性
PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的电容效应
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PN结的形成
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。
3.
电子与空穴
当导体处于热 空穴 力学温度 0K 时， 导体中没有自由电 子。当温度升高或 共 受到光的照射时， 价 +4 +4 键 价电子能量增高， 有的价电子可以挣 脱原子核的束缚， +4 +4 而参与导电，成为 自由电子。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 7
自由电子 束缚电子
４．电子与空穴
2
3. 半导体
３．半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间 的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导 体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。
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P型半导体结构
在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电 子而成为一个带单位负电荷的负离子，三价杂质 因而 也称为受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电 子而形成空穴。所以P型半导体的结构示意图如图所 示。
空穴 硼原子核
P型半导体中：空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。 15
自由电子产生的同时，在其原来的共价键 中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏， 呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等 ，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
8
５．电子与空穴的复合
可见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。游离的部分自 由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示 。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
2.本征半导体的共价键结构
本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各 原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，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，在空间形 成排列有序的晶体。如下图所示：
硅晶体的空间排列
共价键结构平面示意图
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共价键性质
共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电 子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够 的能量，不易脱离轨道。 因此，在绝对温度T=0K（-273 C）时，由于共 价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子， 不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。 6
本征激发和复合的过程（动画）
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６．空穴的移动
由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发 下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上， 而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又 有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出 现了电荷迁移—电流。 电流的方向与电子移动的 方向相反，与空穴移动的 方向相同。本征半导体中， 产生电流的根本原因是由 于共价键中出现了空穴。 由于空穴数量有限，所以 其电阻率很大。
教学时数：8学时 重点与难点： 1、PN结的原理和二极管的等效电路。 2、半导体内部载流子运动规律。 3、晶体二极管、晶体三极管、结型场效应 管、绝缘栅型场应管的工作原理和特性曲 线。
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§1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝 缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。
N型半导体结构
提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而 单位正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为 施主杂质。N型半导体的结构示意图如下图所示。
自由电子 磷原子核
所以，N型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子—多数载流子（由两部分组成） 空穴——少数载流子
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2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、 铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 因三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。当相邻共价键上 的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而 产生新的空穴。空穴是其主要载流子。
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1.1.2 本征半导体
1. 本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半 导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%， 常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。 电子技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其 简化原子结构模型如下图：
电子 硅 锗
外层电子受原子核的束缚 力最小，成为价电子。物 质的性质是由价电子决定 的。 4
空穴 空间电荷区 耗尽层 电子
P区
内电场
百度文库N区
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PN结的形成
对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形 成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少 多子，所以也称耗尽层。由于耗尽层的存在，PN结的 电阻很大。 PN结的形成过程中 的两种运动： 多数载流子扩散 少数载流子飘移
空穴在晶体中的移动（动画）
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1.1.3
杂质半导体
(1) N型半导体
(2) P型半导体
在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。掺入杂质的本征半导体 称为杂质半导体。
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1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷 可形成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质 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。 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；另外，硅晶 体由于热激发会产生 少量的电子空穴对， 所以空穴是少数载流 子。 12
本节中的有关概念
• 本征半导体、杂质半导体
• 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体
• 自由电子、空穴
• 多数载流子、少数载流子
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2.2 PN结及其特性
PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的电容效应
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PN结的形成
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。
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电子与空穴
当导体处于热 空穴 力学温度 0K 时， 导体中没有自由电 子。当温度升高或 共 受到光的照射时， 价 +4 +4 键 价电子能量增高， 有的价电子可以挣 脱原子核的束缚， +4 +4 而参与导电，成为 自由电子。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 7
自由电子 束缚电子
４．电子与空穴
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3. 半导体
３．半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间 的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导 体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。
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P型半导体结构
在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电 子而成为一个带单位负电荷的负离子，三价杂质 因而 也称为受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电 子而形成空穴。所以P型半导体的结构示意图如图所 示。
空穴 硼原子核
P型半导体中：空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。 15
自由电子产生的同时，在其原来的共价键 中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏， 呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等 ，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
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５．电子与空穴的复合
可见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。游离的部分自 由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示 。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
2.本征半导体的共价键结构
本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各 原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，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，在空间形 成排列有序的晶体。如下图所示：
硅晶体的空间排列
共价键结构平面示意图
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共价键性质
共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电 子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够 的能量，不易脱离轨道。 因此，在绝对温度T=0K（-273 C）时，由于共 价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子， 不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。 6
本征激发和复合的过程（动画）
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６．空穴的移动
由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发 下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上， 而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又 有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出 现了电荷迁移—电流。 电流的方向与电子移动的 方向相反，与空穴移动的 方向相同。本征半导体中， 产生电流的根本原因是由 于共价键中出现了空穴。 由于空穴数量有限，所以 其电阻率很大。