半导体基本器件及应用电路

在本征半导体中电子和空穴的浓度总是相等的
若设 ni 为电子浓度，pi 为空穴浓度
本征载流子浓度：ni=pi=AoT3/2exp(-Eg0/2kT) 其中：Ao 为常数，与半导体材料有关：
Si: Ao=3.88×1016(cm-3.k-2/3)
Ge: Ao=1.76×1016(cm-3.k-2/3)
k 为玻耳兹曼常数 k=1.38×10-23(J.k-1) 当 T=300k（室温） Si: ni=pi≈1.5×1010/cm3
4
4
4
4
电子能量
导带 Eg 禁带
价带 返回
（二）本征激发和两种载流
子
② １ 在T常=0温k下且本无征外半 界其导它体能内量有激两 发时种，载E流g0子较：大， 载流子价：电物子体全内部运束载缚电在荷共的价粒键子中，，决导定带于物中体无的自由 4
导电电能子力。（。此时的本征半导体相当与绝缘体）
2 本自空征 由穴电载激子流发载子： 流子：：带带单单位位负正电电E g
扩散电流是半导体中载流子的一种特殊运动形式，是由于载流子的浓
度差而引起的，扩散运动总是从浓度高的区域向浓度小的区域进行，
若用 dp( x ) , dn( x ) 表示非平衡空穴和电子的浓度梯度，
dx dx
光
则沿 X 方向的扩散电流密度分别为：
照
Jpo=-qDp dp( x ) dx
●●●●○○○●●●●●○○N型●半导体
半导体基本器件及应用 电路
2021年7月14日星期三
1.1半导体材料及导电特性
引言 1.1 .1 本征半导体 1. 1 . 2 杂质半导体 1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流
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1.1半导体材料及导电特性
引言：
１． 什么是半导体：电阻率 ρ 介于导体和绝缘体之间
固体按导电性能上可分为三类：
导体： ρ＜10－4Ω.cm 如：金、银、铜、铝
绝缘体： ρ＞1012Ω.cm 如：云母、陶瓷
半导体: ρ=10－3~109Ω。Cm
如： 硅 Si(Silicon)
ρ=105Ω.cm
锗 Ge(Germanium) ρ=4.7103Ω.cm
砷化镓 GaAs
ρ=109Ω.cm
2 . 注意 ρ 的单位：Ω。Cm
定义： R A cm 2 • cm
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4
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电子能量
导带 Eg 禁带
价带
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（三）本征载流子（intrinsic carrier）
浓度
Eg
电子
由1上式本：征激T发↑→ni(or pi)↑空→穴导电能力↑ 可制作热敏元件
电子 2 空穴
随复机合碰撞（自由电子释放能量）电子影空响穴半对导消体失器件的稳定性
另外
3
本光征照激→发n动i(o态r平pi)衡↑复→合导电能是力电子↑空→穴对可的制两作种光矛电盾器运件动形式。
1. 1 . 3 漂移电流与扩散电 半导体中有两种载流流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导
电电流。 引起载流子定向运动的原因有两种：
由于电场而引起的定向运动――漂移运动。（漂移电流）
由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动――扩散运动（扩散电流）
（一）漂移电流（drift current）
的，只能在负离子附近活动。但只要赋予它一定的能量，
它挣脱束缚运动到少远子离→负电离子子的地方，少该子空浓穴度就＜和＜本n征i
4
4
4
3
4
-
4
4
激发产生的空穴一样可以自由运动。对半导体的导电有贡献。 电子能量
杂质产生（空位）→受主能级 接受 在价带中形成空穴→晶格中留下负离子
P 型半导体的特点：电子
1、 与本征激发不同。受主原子接受电子在
例如：Si 本征半导体（T＝300k）：
ni=pi=1.5X1010／cm3
3.3X1012分之一
原子密度 4.96X1022/cm3
故：本征半导体的导电能力很弱。
3 在本征半导体中掺入不同种类的杂质可以改变半导体中两
种载流子的浓度。 根据掺入杂质的种类可分为：
N 型半导体 （掺入 5 价元素杂质）
原T子=0都k共(-用27一3.对16价0c电) 子时。，形成共T价=键 30结0k构。（室温）
量子力学证明：原子中电子具有的能量
Eg0 (Si)=1.21 ev
E g(S i)=1.12ev
状态 Eg是 0 (G离e散 )=的 0.7，85量e子v 化的，每E一g(G个e能 )=0量.7状2e态
对应于一个能级，一系列能级形成能带。
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的束缚力小，许多物理
现象是由外层价电子数
价电子
决定，为了更方便研究
4
价电子的作用常把原子
4
惯性核
核和内层电子看作一个
整体,称为惯性核。
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1.1 .1 本征半导体（intrinsic semiconductor）
2 在共S 价 i 或键G结 e 构 单晶体中，价电子处于束
缚状当态S，i其（能或量G较e低）， 原子处组于成较单低晶的体能后带，称各为
所以 空穴的电流密度：Jpt=q.p.vp=up.q.p.E
V
电子的电流密度：Jnt=-q.n.vn=un.q.n.E 其中 q 为电子电荷量
总的漂移电流密度：Jt=Jpt+Jnt=(up.p+un.n)qE
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载流子注入 光照的作用
(二）扩散 电 流（diffusion current）
非平衡载流子 →载流子浓度梯度→扩散运动→扩散电流
4
4
4
价 原子带之。间而有自序由、电整子齐处的较 排列 高在的一能起带，称原为子导之带间。
由 靠得 于很价近电，子价至电少子要不获仅得受E本g原的子能的量作才用能，挣还脱要共
4
价 受相键邻的原束子缚的成作为用自，由电子，因此自由电子所
占有根的据最原低子能的级 理要 论比 ：原 价子电外子层可电能子占有有8的个 最才高
Ge: ni=pi≈2.4×1013/cm
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1. 1 . 2 杂质半导体（donor and acceptor
实际上，制造半导体器件im的p材u料r i并t ie不s是）本征半导体，而是人为地掺入一
定杂质成份的半导体
1 什么是杂质半导体：人为地掺入一定杂质成份的半导体
2 为什么要掺杂：提高半导体的导电能力
dx
dx
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§1.2 PN结原理
1.2.1 PN结的形成及特点 1.2 .2 空间电荷区特点：
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§1.2 PN结原理
1.2.1 PN结的形成及特点
在一块 N 型半导体（or P type），用杂质补偿的方法掺
入一定数量的 3 价元素（or 5 价元素）将这一部分区域转换
成 P 型（或 N 型），则在它们的界面处便生成 PN 结。PN 结
l
cm
3 . 半导体具有其它特性：
对 ρ 影响较大的因素：杂质 ，温度，光照
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1.1 .1 本征半导体
定义:没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体.
(一) 本征半导体的共价键结构 1 S i 、G e 原子结构模型
S i(14)和 G e(32)因外
层都有 4 个价电子，由
于外层价电子受原子核
14
P型： NA表示受主杂质浓度， Pp=NA+np
由于一般总有No>>pn NA>>np
所以有 N型：nn≈No P型：pp≈NA
多子浓度
且： pn≈ ni2/ND np≈ni2/NA
少子浓度
多子浓度等于掺杂浓度
少子浓度与本征浓度ni2有关，
与温度无关
随温度升高而增加，是半导体
元件温度漂移的主要原因
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4
能能处级因于高此稳出定SE状i（g态。或。于G是e） S 单 i（晶或体G每个 e）原晶子体都中从的四周
能量分布中有一段间隙不可能被电子所占
相邻原子得到 4 个价电子才能组成稳定状态。即
有。其宽度为 E g，称为禁带宽度。
每E一g个一价般电与子半为导相体邻材原料子和核温所度共T有有，关每：相邻两个
P 型半导体 （掺入 3 价元素杂质）
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（一）N型半导体（N Type
semiconductor） 在 N在型本半征导体半中导：体中掺入 5 价元素的杂质
（砷、磷、锑）就成为 N 型杂质半
4
4
4
自由导电体子→。多数载流子（多子）。且多数载流子浓度＞＞ni
空杂穴质 →少原数子载→流能 子（提少供子多）。余室电 温少数子载→流称子为浓度施＜主＜杂pi质
称为电子半导体。
施主能级
3、在 N 型半导体中同样也有本征激发产生的电子空
穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。
+++
导带 Eg禁带
价带
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（二）P型半导体（P type
2带就中在成的在室空为本 温穴P下征，型3半 故价半导P受导型体主体 半中原s导。掺 子e体产m入中生i空3c的穴o价 空n数位元d很全素 u高（ 部c，可t如o主被rB要激）靠硼 发空为）， 穴价
3 价导杂电质。 原子称→为接受空电穴子半 →负导离体子→。受主杂质（acceptor impurity）
4
3 P→型（半受导主体原中子）也→有位本于征受激主能发级而产室温生电产子生空空穴位对（位，于但价由带）
于复合作用，电子数目很小，空穴T的=3浓00度k 远大于电子浓度。 4
带P负型电半离导子体与：带正多电子空→穴空间有穴吸引且力：，多即子空浓穴度是＞受束＞缚pi
是晶体二极管及其它半导体的基本结构，在集成电路中极其重
要。
P
E
N
- - - - ++++
- - - - ++++
- - - - ++++
- - - - ++++
返回
一 P显N然结半导的体动中态多子平的衡扩过散程运动和和接少触子的电 位
E
P
N
（ 漂一移）运动空是间一电对荷矛区盾(s运pa动ce的c两ha个rg方e r面eg：ion) 在 N 型和 P 型半导体的界面两侧，明显
导带
价带中产生一个空穴，但并不在导带中产 受主能级 - - - Eg禁带
生电子，而在晶格中留下一个负离子。负 离子不能自由移动，不起导电作用。
价带
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（三）杂质半导体中的载流子浓度
本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi 掺杂半导体中（N or P）→掺杂越多→多子浓度↑→少子浓度↓
杂质半导体载流子由两个过程产生： 杂质电离→多子 本征激发→少子
多子扩散运动 →空间电荷区↑→内建电场 E↑
- - - - ++++ - - - - ++++
地存在着电子和空穴的浓度差，→导少致子载流漂子移的↑
- - - - ++++
扩散运动：
- - - - ++++
结P果型：半多导子体扩中散空运动穴→N 区少扩子散的→漂与移N 区中热电平子衡复（合动态平衡）
扩P散区电留流下负离子→漂N移区电生流成正离子
4
→多余电子→位于施主能级 （进入导带）成为自由电子
T=300k
N 型杂质半导体的特点：
4
1、 与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时并
+ 5
4
+
4
4
不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由 移动，不起导电作用。
电子能量
2、在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故 N 型
半导体中自由电子数目很高（浓度大）,主要靠电子导电。
载流子浓度
x
n (x)
dn( x )
dn( x )
Jno=-(-q) Dn dx =qDn dx
式中 DP 和 Dn 为空穴和电子扩散系数（单位 cm2/s）
上式表示：空穴扩散中电流与 x 方向相同
热平衡值
p (x) 热平衡值
电子扩散电流与 x 方向相反
x
（因为 dp( x ) ＜0， dn( x ) ＜0）
4
T↑（or 光照Βιβλιοθήκη 价电子获得能量跃迁导带在外电场作用下自电由子电、子空~位穴于运导动带方向相反，对
4
电流的贡献是空穴迭加~的位。于价带
注意：
①在本征激发（或热激发）中，电子、空穴成对产生
a:空穴带正电量 b：空穴是半导体中所特有的带单位 空穴： 正电荷的粒子，与电子电量相等， 符号相反 c：空穴在价带内运动，也是一种载 流子。在外电场作用下可在晶体内 定向移动
由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：
1 热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。
N型半导体：若以nn表示电子（多子），pn表示空穴（少子） 则有 nn.pn=ni2
P型半导体：pp表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子） Pp.np=ni2
2 电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。 N型： No表示施主杂质浓度，则：nn=No+pn
PN 结中总电流为零。空间电荷区宽度稳定形成 PN 结。
N 型半导体中电子（多子）→P 区扩散→与 P 区空穴复合
N 区留下正离子→P 区生成负离子。 伴随着扩散和复合运动在 PN 结界面附近形成一个空间电荷区：
在电子浓度为n,空穴浓度为p的半导体两端外加电压V，在电场E的作用
下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：
E
空穴的平均漂移速度：vp=up.E 电子的平均漂移速度：vn=-un.E
○ ○○○○●
● ○
●
●
●
其中 up 和 un 为空穴和电子的迁移率
（单位电场强度下载流子的平均漂移速度）