半导体特性和晶体管工作原理

电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
载流子浓度 本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关
5.本征载流子
在非本征情形:
01
热平衡时: N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
01
6.非本征半导体的载流子
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
p = n + Na – Nd
01
n = p + Nd – Na
02
施主和受主可以相互补偿 p + Nd – n – Na = 0
03
7.电中性条件: 正负电荷之和为0
n型半导体：电子 n Nd
空穴 p ni2/Nd
2014
p型半导体：空穴 p Na
电子 n ni2/Na
2015
重 点
据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种
所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格
1
2
半导体器件物理基础
PN结的结构
把P型半导体和N型半导体结合起来就形成PN结 PN结具有半导体没有的一些特性
本征半导体:n=p=ni
电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。
4. 半导体的掺杂
施 主 掺 杂
As
B
受 主 掺 杂
施主和受主浓度：ND、NA
导 带
价 带
Eg
在0K时，导带中没有电子，当温度升高时晶格会发生热振动，价带中的电子在吸收了晶格离子热运动的能量后会大量跃入导带，导带中的自由电子数增加，导电率也增加。
当价带中的电子跃入导带后，在价带中会留下一个没有电子的量子态，这种空的量子态就称为空穴
3. 半导体中的载流子： 能够导电的自由粒子
01
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如在 Si中掺的P 和As 。 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体 中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。 如在Si中掺的B。
02
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
N
P
1. PN结的形成
N
P
空间电荷区XM
空间电荷区－耗尽层
XN
XP
空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子
载流子的输运： 扩散—从高浓度向低浓度运动 电子：N→P 空穴：P→N 漂流—在电场作用下运动 电子：P→N 空穴：N→P
1
平衡的PN结：没有外加偏压 Nhomakorabea2
载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势
4
反向击穿电压Vrb
PN结的击穿
雪崩击穿
PN结反向电压增大到某一数值时，载流子倍增就像雪崩一样增加的多而快。
齐纳/隧穿击穿
在高的反向电压下，PN结中存在强电场，它能够直接破坏共价键，将束缚电子分离出来形成电子-空穴对，形成大的反向电流。
第二章 半导体基本特性与 晶体管工作原理
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半导体的特性 PN结的形成
？什么是半导体
1、半导体的晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
2、半导体的能带结构
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
3. 正向偏置的PN结情形
正向偏置时，扩散大于漂移
N区
P区
N区
P区
N
P
4. PN结的反向特性
N区
P区
空穴：
电子：
N区
P区
扩散
漂移
漂移
反向电流：
反向偏置时，漂移大于扩散
N
P
5.PN结的特性
1
单向导电性： 正向偏置 反向偏置
2
正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
3
正向导通电压Vbi~0.7V(Si)