1.1半导体基础知识
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1.1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的伏安特性 五、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－ －－铁 铜等金属元素等低价元素， 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等， －－惰性气体 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强， 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－ －－硅 ）、锗 ），均为四价元素 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 ）、 ），均为四价元素， 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 是纯净的晶体结构的半导体。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？ 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
半导体的导电机理不同于其它物质， 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 的导电机理不同于其它物质 具有不同于其它物质的特点。例如： 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。 它的导电能力明显变化。
说明： 说明：
PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。 两部分。 一般来说，当二极管正向偏置时， 一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要 作用，即可以认为 Cj ≈ Cd； 作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj ≈ Cb。 Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法， 值都很小， 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。 有些结面积大的二极管可达几百皮法。
二、杂质半导体
1. N型半导体 电子型半导体 型半导体(电子型半导体) 型半导体 电子型半导体
多数载流子 空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？ 多了？少了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多， 流子导电。掺入杂质越多， 多子浓度越高，导电性越强， 多子浓度越高，导电性越强， 实现导电性可控。 实现导电性可控。 磷（P） ）
(a)N 型半导体 )
(b) P 型半导体 )
图
杂质半导体的的简化表示法
三、PN结的形成及其单向导电性
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 扩散运动 液体、固体均有之。 体、液体、固体均有之。
P区空穴 区空穴 浓度远高 于N区。 区 N区自由电 区自由电 子浓度远高 于P区。 区
光敏器件， 光敏器件， 热敏器件
往纯净的半导体中掺入某些杂质， 往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。 会使它的导电能力明显改变。
二极管
小结
1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带负电的自由电子 带正电的空穴 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 空穴对。 称为 电子 - 空穴对。 3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 本征半导体中自由电子 空穴的浓度 自由电子和 的浓度用 表示， 表示，显然 ni = pi 。 4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生 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。 会达到平衡，载流子的浓度就一定了。 5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 载流子的浓度与温度密切相关， 温度密切相关 基本按指数规律增加。 指数规律增加 高，基本按指数规律增加。
在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。 在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。
扩散运动 扩散运动使靠近接触面 区的空穴浓度降低 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 使靠近接触面 区的空穴浓度降低、 扩散运动的继 N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继 区的自由电子浓度降低， 区的自由电子浓度降低 产生内电场，不利于扩散运动 续进行。 续进行。
PN结的形成
由于扩散运动使 区与 区的交界面缺少多数载流子， 区与N区的交界面缺少多数载流子 由于扩散运动使P区与 区的交界面缺少多数载流子，形成 扩散运动 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向 区向P 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从 区向 自由电子从P区向 区运动。 区向N 区、自由电子从 区向 区运动。 漂移运动 因电场作用所产生 的运动称为漂移运动 漂移运动。 的运动称为漂移运动。
1、本征半导体的结构 、
共价键 由于热运动，具有足够能量 由于热运动， 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 复合 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。 的浓度加大。
+5
N型半导体中的载流子是什么？ 型半导体中的载流子是什么？ 型半导体中的载流子是什么
2. P型半导体 空穴型半导体 型半导体(空穴型半导体) 型半导体 空穴型半导体
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 型半导体主要靠空穴导电， 型半导体主要靠空穴导电 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 掺入杂质越多，空穴浓度. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 决定多数载流子浓度 少数载流子的浓度。 定少数载流子的浓度。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 杂质半导体载流子的数目 载流子的数目要远远高于本征半导 因而其导电能力大大改善。 体，因而其导电能力大大改善。 电中性。 3. 杂质半导体保持电中性。 杂质半导体保持电中性 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。 杂质半导体的表示方法如下图所示。
2、本征半导体中的两种载流子 、
运载电荷的粒子称为载流子。 运载电荷的粒子称为载流子。 载流子 外加电场时， 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧， 温度升高，热运动加剧，载流 子浓度增大，导电性增强。 子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电 时不导电。 热力学温度 时不导电。 载流子
i = IS(e
qu
kT
−1)
IS ：反向饱和电流
i = IS (e
u UT
−1)
UT ：温度的电压当量 在常温( 在常温(300 K)下， ) UT ≈ 26 mV
公式推导过程略
四、PN结的伏安特性 结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。 之间的关系曲线。
i/ mA
60 40 20 –50 –25 0 0.5 1.0 u / V – 0.002
正向特性
反向击穿 击穿 击穿
反 向 特 性
击穿电压 U(BR) 0.004 –
死区电压
PN结的伏安特性 结的伏安特性
五、PN结的电容效应
1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 结外加电压变化时， 结外加电压变化时 变化，有电荷的积累和释放的过程， 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容称为势垒电容C 电相同，其等效电容称为势垒电容 b。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 结外加的正向电压变化时， 流子的浓度及其梯度均有变化， 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容称为扩散电容C 释放的过程，其等效电容称为扩散电容 d。 结电容： 结电容： C j = Cb + Cd 结电容不是常量！ 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！ 程度，则失去单向导电性！
PN结加反向电压截止： 结加 耗尽层变宽 阻止扩散运动 变宽， 扩散运动， 耗尽层变宽，阻止扩散运动， 有利于漂移运动， 有利于漂移运动，形成漂移电 由于电流很小， 流。由于电流很小，故可近似 截止。 认为其截止 认为其截止。
PN 结的电流方程
PN结所加端电压 与流过的电流 的关系为 结所加端电压u与流过的电流 结所加端电压 与流过的电流i的关系为
+3
在杂质半导体中，温度变化时， 在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？ 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？ 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？ 子浓度的变化相同吗？
硼（B） ） 思考题： 型半导体带电否 带正电？带负电？ 型半导体带电否？ 思考题：N型半导体带电否？带正电？带负电？ P型半导体呢？ 型半导体呢？ 型半导体呢
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡 就形成了PN结 动态平衡， 达到动态平衡，就形成了 结。
PN结的单向导电性 结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 结加 耗尽层变窄 扩散运动加 变窄， 耗尽层变窄，扩散运动加 由于外电源的作用， 剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于 结处于导通 成扩散电流，PN结处于导通 状态。 状态。
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的伏安特性 五、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－ －－铁 铜等金属元素等低价元素， 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等， －－惰性气体 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强， 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－ －－硅 ）、锗 ），均为四价元素 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 ）、 ），均为四价元素， 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 是纯净的晶体结构的半导体。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？ 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
半导体的导电机理不同于其它物质， 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 的导电机理不同于其它物质 具有不同于其它物质的特点。例如： 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。 它的导电能力明显变化。
说明： 说明：
PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。 两部分。 一般来说，当二极管正向偏置时， 一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要 作用，即可以认为 Cj ≈ Cd； 作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj ≈ Cb。 Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法， 值都很小， 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。 有些结面积大的二极管可达几百皮法。
二、杂质半导体
1. N型半导体 电子型半导体 型半导体(电子型半导体) 型半导体 电子型半导体
多数载流子 空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？ 多了？少了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多， 流子导电。掺入杂质越多， 多子浓度越高，导电性越强， 多子浓度越高，导电性越强， 实现导电性可控。 实现导电性可控。 磷（P） ）
(a)N 型半导体 )
(b) P 型半导体 )
图
杂质半导体的的简化表示法
三、PN结的形成及其单向导电性
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 扩散运动 液体、固体均有之。 体、液体、固体均有之。
P区空穴 区空穴 浓度远高 于N区。 区 N区自由电 区自由电 子浓度远高 于P区。 区
光敏器件， 光敏器件， 热敏器件
往纯净的半导体中掺入某些杂质， 往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。 会使它的导电能力明显改变。
二极管
小结
1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带负电的自由电子 带正电的空穴 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 空穴对。 称为 电子 - 空穴对。 3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 本征半导体中自由电子 空穴的浓度 自由电子和 的浓度用 表示， 表示，显然 ni = pi 。 4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生 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。 会达到平衡，载流子的浓度就一定了。 5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 载流子的浓度与温度密切相关， 温度密切相关 基本按指数规律增加。 指数规律增加 高，基本按指数规律增加。
在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。 在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。
扩散运动 扩散运动使靠近接触面 区的空穴浓度降低 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 使靠近接触面 区的空穴浓度降低、 扩散运动的继 N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继 区的自由电子浓度降低， 区的自由电子浓度降低 产生内电场，不利于扩散运动 续进行。 续进行。
PN结的形成
由于扩散运动使 区与 区的交界面缺少多数载流子， 区与N区的交界面缺少多数载流子 由于扩散运动使P区与 区的交界面缺少多数载流子，形成 扩散运动 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向 区向P 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从 区向 自由电子从P区向 区运动。 区向N 区、自由电子从 区向 区运动。 漂移运动 因电场作用所产生 的运动称为漂移运动 漂移运动。 的运动称为漂移运动。
1、本征半导体的结构 、
共价键 由于热运动，具有足够能量 由于热运动， 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 复合 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。 的浓度加大。
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N型半导体中的载流子是什么？ 型半导体中的载流子是什么？ 型半导体中的载流子是什么
2. P型半导体 空穴型半导体 型半导体(空穴型半导体) 型半导体 空穴型半导体
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 型半导体主要靠空穴导电， 型半导体主要靠空穴导电 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 掺入杂质越多，空穴浓度. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 决定多数载流子浓度 少数载流子的浓度。 定少数载流子的浓度。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 杂质半导体载流子的数目 载流子的数目要远远高于本征半导 因而其导电能力大大改善。 体，因而其导电能力大大改善。 电中性。 3. 杂质半导体保持电中性。 杂质半导体保持电中性 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。 杂质半导体的表示方法如下图所示。
2、本征半导体中的两种载流子 、
运载电荷的粒子称为载流子。 运载电荷的粒子称为载流子。 载流子 外加电场时， 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧， 温度升高，热运动加剧，载流 子浓度增大，导电性增强。 子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电 时不导电。 热力学温度 时不导电。 载流子
i = IS(e
qu
kT
−1)
IS ：反向饱和电流
i = IS (e
u UT
−1)
UT ：温度的电压当量 在常温( 在常温(300 K)下， ) UT ≈ 26 mV
公式推导过程略
四、PN结的伏安特性 结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。 之间的关系曲线。
i/ mA
60 40 20 –50 –25 0 0.5 1.0 u / V – 0.002
正向特性
反向击穿 击穿 击穿
反 向 特 性
击穿电压 U(BR) 0.004 –
死区电压
PN结的伏安特性 结的伏安特性
五、PN结的电容效应
1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 结外加电压变化时， 结外加电压变化时 变化，有电荷的积累和释放的过程， 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容称为势垒电容C 电相同，其等效电容称为势垒电容 b。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 结外加的正向电压变化时， 流子的浓度及其梯度均有变化， 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容称为扩散电容C 释放的过程，其等效电容称为扩散电容 d。 结电容： 结电容： C j = Cb + Cd 结电容不是常量！ 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！ 程度，则失去单向导电性！
PN结加反向电压截止： 结加 耗尽层变宽 阻止扩散运动 变宽， 扩散运动， 耗尽层变宽，阻止扩散运动， 有利于漂移运动， 有利于漂移运动，形成漂移电 由于电流很小， 流。由于电流很小，故可近似 截止。 认为其截止 认为其截止。
PN 结的电流方程
PN结所加端电压 与流过的电流 的关系为 结所加端电压u与流过的电流 结所加端电压 与流过的电流i的关系为
+3
在杂质半导体中，温度变化时， 在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？ 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？ 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？ 子浓度的变化相同吗？
硼（B） ） 思考题： 型半导体带电否 带正电？带负电？ 型半导体带电否？ 思考题：N型半导体带电否？带正电？带负电？ P型半导体呢？ 型半导体呢？ 型半导体呢
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡 就形成了PN结 动态平衡， 达到动态平衡，就形成了 结。
PN结的单向导电性 结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 结加 耗尽层变窄 扩散运动加 变窄， 耗尽层变窄，扩散运动加 由于外电源的作用， 剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于 结处于导通 成扩散电流，PN结处于导通 状态。 状态。