1.1,1.2(半导体的基本知识, PN结及其单向导电性)

第1章
第1次课
第 2页
电子技术
1.1.1 导体、绝缘体和半导体
自然界按物质的导电性能的优劣三大类： 1 . 在自然界中，有的物质很容易导电，如铜、铝、 铁、银等，我们称之为导体(ρ<10－4Ω·cm) 。 2 . 有的物质不导电，如塑料、陶瓷、石英、橡胶 等，称之为绝缘体(ρ>109Ω·cm )。 3. 还有一类物质，其导电性能介于导体和绝缘体
+4
B
第1章
第1次课
第30页
电子技术
半导体中产生了大量的空穴和负离子 -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
第1章
第1次课
第31页
电子技术
小结 a. P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价 杂质元素形成的。 b. P型半导体产生大量的空穴和负离子。 c. 空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
d. 因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或 空穴型半导体。
称PN结正向偏置，简称正偏。
PN结反向偏置—— 当外加直流电压使PN结N型半
导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时，
称PN结反向偏置，简称反偏。
第1章
第1次课
第46页
电子技术
1．PN结正向偏置 S + + + + + + E PN结正向偏置
第1章
第1次课
第47页
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + +
+ + + +
+ + + +
+ +
+ + + +
+ +
+ +
+ +
通过半导体扩散工艺 靠浓度梯度扩散，或采用离子注入法
第1章
第1次课
第38页
N
N
电子技术
使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。 -
+ + + +
+ +
+ + + +
+ +
+ + + + + +
+ + + + + +
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
第1章
第1次课
第15页
电子技术
U +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
第1章
第1次课
第16页
电子技术
U +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
第1章
第1次课
第17页
电子技术
U +4
Hale Waihona Puke Baidu
+4
+4
+4
+4
+4
价电子填 补空穴而 使空穴移 动，形成 空穴电流
+4
+4 空穴的移动
+
+ + + +
+
+ + + +
+
+ + + +
+
+
+
+ +
+
+ +
电子为多数载流子
空穴为少数载流子
第1章
第1次课
第24页
电子技术
N型半导体形成过程动画演示
第1章
第1次课
第25页
电子技术
小结 a. N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质 元素形成的。
b. N型半导体中产生了大量的(自由）电子和正离子。
I/mA
UBR O IS U/V
第1章
第1次课
第53页
+ + + + + +
P
S 不利多子扩散 有利少子漂移
E内
N
内电场增强
第1次课
第50页
电子技术
-
-
-
-
-
-
+ + + + + +
E
+ + + + + +
+ + + + + + R
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
P
S
E内
N
因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。
这就是半导体和金属导电原理的 本质区别
(2) 本征半导体的特点
a. 电阻率大 b. 导电性能随温度变化大
第1章
第1次课
第20页
电子技术
1.1.3 杂质半导体
在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元
素后所形成的半导体 N型导体 根据掺杂的不同，杂质半导体分为
P型导体
第1章
第1次课
第21页
电子技术
+4
电子技术
第 1 章 半导体二极管和三极管 1.1 半导体的基础知识 1.2 PN结及其单向的导电性 1.3 二极管 1.4 三极管
第1章
第1次课
第 1页
电子技术
1.1
1.1.1 导体、绝缘体和半导体 1.1.2 本征半导体及其导电性 1.1.3 杂质半导体
半导体的基础知 识
1.1.4 PN结及其单向导电性
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3 3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
你从这些数据了解到些什么？
第1章
第1次课
第35页
电子技术
思考题 1. 半导体中的载流子浓度主要与哪些因素有关？ 2. 扩散电流与漂移电流的联系和区别？
第1章
第1次课
第 4页
电子技术
常用的半导体材料有硅和锗，它们原子的最外层都有 四个价电子，称为四价元素 原子结构示意图
+14 Si
2
8
4
+32 Ge
2
8 18 4
+4
硅原子结构示意图
锗原子结构示意图
第1章
硅、锗原子 的简化模型
第 5页
第1次课
电子技术
1.1.2 本征半导体
本征半导体就是完全纯净的半导体 平面结构 立体结构 +4 +4 +4 共价键
+4
共价键中的电子被束缚着，本征 +4 半导体中没有自由电子，不导电。
第1章
+4
+4 价电子 +4
第 6页
+4
第1次课
电子技术
半导体导电性能容易变化的原因——
本 征 激 发 产 生 电 子 和 空 穴
共价键中的价电子不是很稳定（容易被激发）
这一现 象称为 本征激 发，也 称热激 发。
+4
+4
+4
自由电子
内电场被削弱
第1章
第1次课
第48页
电子技术
PN结正偏动画演示
（动画1-4）
第1章
第1次课
第49页
电子技术
2．PN结反向偏置 -
PN结变宽 + + + + + + E PN结呈现高电 阻、截止状态
第1章
+ + + + + +
+ + + + + + R
+ + + + + +
+ + + + + + IS
+4 +4 +4
+4
+4
+4
空穴
第1章
第1次课
第 7页
电子技术
+4
+4
+4 电子空穴 成对产生
+4
+4
+4
+4
+4
+4
第1章
第1次课
第 8页
电子技术
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
第1章
第1次课
第 9页
电子技术
+4
+4
+4
+4 电子空穴 复合，成 对消失 +4
+4
+4
+4
+4
第1章
第1次课
第1章
第1次课
第36页
电子技术
1.2
PN结及其单向导电 性
1.2.1 PN结的形成 1.2.2 PN结的单向导电性
第1章
第1次课
第37页
电子技术
1.2.1 PN结的形成
+ + + + + + + + + + + +
+ + + +
+ +
以N型半导体为基片 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
第1章
第1次课
第33页
电子技术
当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可 将N型转为P型； 当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可
将P型转为N型。
第1章
第1次课
第34页
电子技术
(3)杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的 影响，一些典型的数据如下:
1 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 2
之间，我们称之为半导体，常用的半导体材料有硅 (Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等，其中硅/锗应用最广。
第1章
第1次课
第 3页
电子技术
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。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4 P
第1章
第1次课
第22页
电子技术
(1) N型半导体 掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
+4
+4
+4
多出一 个电子
+4
+4
+4
出现 了一 个正 离子
第1次课
第23页
+4
+4
第1章
P
电子技术
半导体中产生了大量的自由电子和正离子 + + + + + +
+
+
+
+ + + +
+4
自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动 也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运 第1次课 第18页 第1章 动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。
电子技术
半导体导电机理动画演示
第1章
第1次课
第19页
电子技术
小结
(1) 在半导体中有两种载流子
带负电的自由电子 带正电的空穴
+ + + +
+ +
+ + + + + +
+ + + + + +
P
N
在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区 交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。
第1章
第1次课
第43页
电子技术
空间电荷层 -
即PN结 + + + + + + + + + + + +
-
-
-
-
-
+ + + +
+ +
+ + + +
+ + + +
+ +
+ + + +
+ +
+ + + + + +
+ + + + + +
N
b. PN结的厚度一定（约几个微米） c. 接触电位一定（约零点几伏）
第1章
第1次课
第45页
电子技术
1.2.2 PN结的单向导电性
PN结正向偏置—— 当外加直流电压使PN结P型半
导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时，
第1章
第1次课
第27页
电子技术
(2) P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。 +4 +4 +4
+4
+4
+4
+4
+4
第1章
+4 B
第1次课
第28页
电子技术
+4
+4
+4
+4
+4
+4
出 现 了 一 个 空 位
+4
+4
B
第1章
第1次课
第29页
电子技术
+4
+4
+4
空穴
+4
+4
+4 负离子
+4
+ + + +
+ +
+ + + +
+ +
P
第1章
N
第1次课
第39页
电子技术
(1) 在浓度差的作用下，电子从 N区向P区扩散。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ +
+ +
+ +
+ +
P
第1章
N
第1次课
第40页
电子技术
(2) 在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散。
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
P
E内
N
R
电子技术
-
-
-
IF
-
-
PN结变窄 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + E
R
+ + + + + +
+ + + + + +
P
S
E内
N
多子进行扩散 PN结呈现低阻、导通状态
+ +
+ + + + + +
+ + + + + +
P
形成内电场
第1章
N
内电场方向
PN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面加速少子的漂移
第1次课
第44页
电子技术
-
-
-
-
-
-
- - - - - - - - - + - - - + P 当扩散与漂移作用平衡时 a. 流过PN结的净电流为零
+ + + +
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ +
+ +
+ +
+ +
P
第1章
N
第1次课
第41页
电子技术
PN结形成过程动画演示
第1章
第1次课
第42页
电子技术
小结
-
-
-
-
-
-
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + +
+ +
第10页
电子技术
U
在 外 电 场 作 用 下
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
第1章
第1次课
第12页
电子技术
U +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
电 子 运 动 形 成 电 子 电 流
第1次课
第13页
第1章
电子技术
U +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
第1章
第1次课
第14页
电子技术
U +4
此电流称为反向饱和电流，记为IS，该电流比较小。
第1章
第1次课
第51页
电子技术
3 . PN结的电压与电流关系
I
P
_ _ _ _ _ _
+ + + + + +
N
I/mA
UBR
U
O IS
U/V
I I S (e
U UT
1)
第1章
第1次课
第52页
电子技术
4. PN结的反向击穿
当PN结的反向电压增 加到一定数值时，反向电 流突然快速增加，此现象 称为PN结的反向击穿。
c. 电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流 子，简称少子。
第1章
第1次课
第26页
电子技术
f. 因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或 电子型半导体。
g . 整块半导体满足电中性条件。
原因是半导体和掺入的微量元素都是电中性的， 掺杂的过程不改变电荷，只是半导体中出现了大 量可运动的电子或空穴