第二讲--半导体特性、PN结形成及特性
半导体与PN结半导体材料与PN结的特性
半导体与PN结半导体材料与PN结的特性半导体与PN结：半导体材料与PN结的特性半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有在特定条件下能够导电的特性。
与导体相比，半导体的电导率较低，但比绝缘体高，这使得半导体在现代电子器件中发挥着重要的作用。
而PN结是半导体器件中最基本的组成部分之一，它由P型半导体和N型半导体的结合所形成。
本文将详细介绍半导体材料和PN结的特性。
一、半导体材料的特性半导体材料是由一些三价或五价元素构成的晶体结构。
根据元素的导电性质，半导体可分为N型和P型两种类型。
1. N型半导体N型半导体中，杂质原子被掺入半导体晶体中，这些杂质原子具有多余的电子，又称为施主原子。
施主原子释放出的自由电子增加了半导体中的载流子浓度，使其成为导电性质较好的材料。
2. P型半导体P型半导体中，杂质原子具有较少的电子，又称为受主原子。
受主原子缺少的电子形成了空穴，这些空穴能够传导电流，使P型半导体具有导电性能。
半导体的导电特性主要由两个载流子类型决定：自由电子和空穴。
通过对半导体材料进行掺杂可以调控载流子的浓度，从而控制半导体器件的电性能。
此外，半导体材料还具有热电效应、光电效应等特性，在电子学和光电子学领域有着广泛的应用。
二、PN结的特性PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散和结合形成的。
在PN结中，P区和N区形成了一个电势垒，这个电势垒对电子和空穴的运动具有一定的限制。
1. 电势垒PN结的P区和N区的杂质浓度不同，形成了一个P-N结的交界面。
在该交界面附近，由于杂质原子的离子化作用，P区中形成了正离子，N区中形成了负离子，从而在交界面上形成了电势差。
这个电势差形成了电势垒，限制着载流子的运动。
2. 正向偏置当外加电压的正极连接到P区，负极连接到N区时，电势垒的宽度会减小，使得载流子能够穿越过电势垒自由移动，形成电流。
这种情况下，PN结处于正向偏置状态。
正向偏置下的PN结具有导电性质。
3. 反向偏置当外加电压的正极连接到N区，负极连接到P区时，电势垒的宽度会增加，限制了载流子的运动。
PN结的形成与特性介绍
PN结的形成与特性介绍PN结的定义：在⼀块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其⼀边成为Ｐ型，另⼀边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界⾯处就形成了⼀个ＰＮ结。
ＰＮ结的形成（1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在⼀起时，由于交界⾯处存在载流⼦浓度的差异，这样电⼦和空⽳都要从浓度⾼的地⽅向浓度低的地⽅扩散。
但是，电⼦和空⽳都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。
Ｐ区⼀侧因失去空⽳⽽留下不能移动的负离⼦，Ｎ区⼀侧因失去电⼦⽽留下不能移动的正离⼦。
这些不能移动的带电粒⼦通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界⾯附近，形成了⼀个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结，如图1所⽰。
（2）在这个区域内，多数载流⼦或已扩散到对⽅，或被对⽅扩散过来的多数载流⼦(到了本区域后即成为少数载流⼦了)复合掉了，即多数载流⼦被消耗尽了，所以⼜称此区域为耗尽层，它的电阻率很⾼，为⾼电阻区。
（3）Ｐ区⼀侧呈现负电荷，Ｎ区⼀侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了⽅向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流⼦扩散运动形成的，⽽不是外加电压形成的，故称为内电场，如图2所⽰。
（4）内电场是由多⼦的扩散运动引起的，伴随着它的建⽴将带来两种影响：⼀是内电场将阻碍多⼦的扩散，⼆是P区和N区的少⼦⼀旦靠近PN结，便在内电场的作⽤下漂移到对⽅，使空间电荷区变窄。
（5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少⼦的漂移⽽不利于多⼦的扩散；⽽漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多⼦的扩散⽽不利于少⼦的漂移。
当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界⾯形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。
ＰＮ结的宽度⼀般为0.5um。
ＰＮ结的单向导电性PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
（1）外加正向电压（正偏）当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图3所⽰。
由于PN结是⾼阻区，⽽P区和N区的电阻很⼩，所以正向电压⼏乎全部加在PN结两端。
PN结的形成及特性.ppt
与硅原子相撞时，使价电子脱离共价键的束缚， iD
产生新的电子空穴对，新的电子空穴对又产生
碰撞，又产生新的电子空穴对，这种连锁反应
使载流子数目增加，从而电流增加。 V(BR)
击穿电压>6V
vD
齐纳击穿(Zener译音)，又称隧道击穿：杂
质浓度很高时，PN结的阻挡层很薄，虽然反 向电压只有几伏，但电场强度确很大，强电 场可把共价键中的电子拉出，新产生的电子 空穴使PN结反向电流激增。击穿电压<6V
3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少 子），数量有限，因此由它们形成的电流 很小。
二、 PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思是： P 区接 电源正端、N 区接电源的负端。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思是： P接电 源的负端、N 区接电源正端。
1.PN 结正向偏置 P区接“+”，N区接“-”
指数函数
iD IS (evD /VT 1)
其中Is为反向饱和电流， VT=kT/q，称为热电压，为k为 玻耳兹曼常数，T为热力学温 度，q为电子的电量，常温下， T＝300K时，vT=26mv
i/mA
Hale Waihona Puke 3020Is10
20 10 0
2 0.5 1.0 1.5 v/V 4
-i/ uA
4. PN结的击穿特性
5、PN结的电容特性
势垒电容：因电荷存储在势垒区得名。 Q
Q
CB
Q V
dQ dV
V
,CB
CB0 (1 VD
)m
V
V0
势垒电容 ：PN结耗尽层中缺乏载流子，电阻率 V 高，相当于一绝缘介质，它的两侧为P区和N区， 其导电率较高，相当于电容器的金属板，耗尽层 中存在的不能移动的正负离子相当于存储的电荷， 当外加电压改变时，电荷量也改变，即外加反向 电压时，电荷量增加；外加正向电压时，电荷量 减少，这些现象跟电容的作用类似。因电荷存储 在势垒区而得名。
半导体第2章 PN结 总结
第二章PN结1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构。
任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）。
2. PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。
除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。
3. 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4. 空间电荷区：PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区。
电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。
它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。
空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
5. 内建电场：P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场——空间电荷区电场，也叫内建电场。
PN结自建电场：在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场，电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。
大注入内建电场：在空穴扩散区（这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。
6. 内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示）。
7. 费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。
准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内，电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。
8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P正N负反偏压：P负N正9. 空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒。
于是空间电荷区又叫做势垒区。
耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。
这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。
中性区：PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)。
耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。
模电课件PN结的形成及特点
目 录
• 引言 • pn结的形成 • pn结的特性 • pn结的应用 • 结论
01 引言
主题简介
pn结的形成
当P型半导体和N型半导体紧密接触 时，由于电子和空穴的扩散作用，会 在接触面形成一个特殊的区域，即 pn结。
pn结的特点
具有整流特性，即正向导通、反向截 止，此外还具有电容效应和击穿特性 。
能带
半导体的能带分为导带、 价带和禁带，禁带宽度较 小。
pn结的形成过程
01
02
03
04
掺杂
在半导体中掺入不同性质的杂 质，形成n型或p型半导体。
电场
在n型和p型半导体之间形成 电场。
载流子
在pn结附近，由于电场的作 用，n型半导体的电子和p型 半导体的空穴会向对方扩散。
平衡状态
当电子和空穴在对方区域内达 到平衡状态时，pn结就形成
了。
03 pn结的特性
正向偏置下的pn结
01
02
03
04
正向偏置下的pn结具有 低阻抗特性，电流可以 顺利通过。
正向偏置下，pn结的电 压降较小，约为0.7v左 右。
正向偏置时，pn结的电 流随电压的增加而线性 增加。
正向偏置下，pn结的功 率损耗较小，适用于低 功耗应用。
反向偏置下的pn结
01
05 结论
本章重点回顾
PN结的形成
PN结的应用
PN结是由P型半导体和N型半导体在 一定条件下接触形成的，其中P型半 导体中的多数载流子是空穴，N型半 导体中的多数载流子是电子。
PN结是电子器件中非常重要的元件， 广泛应用于二极管、晶体管等电子器 件中，用于实现电子信号的放大、整 流、检波等功能。
2.2 PN结的形成及特性
2.2.1 PN结的形成－》 结的形成－ 结的形成
2.2.2 PN结的单向导电性－》 结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿－》 结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应－》 结的电容效应
2.2.1 PN结的形成 结的形成
1. PN结的形成条件 结的形成条件 两种导电类型的半导体共居于同一块半导体单 两种导电类型的半导体共居于同一块半导体单 共居 晶中， 交界面上形成PN结 上形成PN 晶中，在交界面上形成PN结 工艺简介： 工艺简介： （1）合金法
从电源正极有流入P 从电源正极有流入P 区 的正向电流
PN结加正向电压时的导电情况 结加正向电压时的导电情况
PN结的单向导电性 2.2.2 PN结的单向导电性 2 PN结加反向偏置电压（反偏）： 结加反向偏置电压（反偏）： 结加反向偏置电压 N 区接电源正极，或使得 区接电源正极， N 区的电位高于 P 区
阻挡层）
PN结的形成 2.2.1 PN结的形成
小
结
因浓度差→ 因浓度差→ 多子的扩散运动 ↓ 由杂质离子形成空间电荷区 ↓ 空间电荷区形成内电场 ↓ ↓ 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 多子的扩散 少子的漂移 多子的扩散 少子的漂移 动 PN 结 扩散电 漂移电 PN 结 电
2.2.2 PN结的单向导电性 结的单向导电性
PN结的形成 2.2.1 PN结的形成
（2）电形成法
（3）平面扩散法
PN结的形成 2.2.1 PN结的形成
2.
PN结的形成过程 结的形成过程
（1）两边的浓度差引起载流子的扩散运动 （2）复合形成内电场：阻挡扩散，促使漂移 复合形成内电场：阻挡扩散， （3）扩散和漂移动态平衡：PN结（空间电荷区、耗尽层、势垒区、 扩散和漂移动态平衡：PN结 空间电荷区、耗尽层、势垒区、
模电-半导体特性、PN结形成及特性
空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米； 电压壁垒 UD：硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V,
锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V。
思考： 扩散电流不漂秱电流的主要区别是什么？
1、PN 结中载流子的运动
PN结形成过程动画演示
2、PN 的单向导电性
PN结正向偏置
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（正向电压），称PN结正向偏置，简称正偏。
热击穿——丌可逆 雪崩击穿 齐纳击穿
电击穿——可逆
3、PN 的反向击穿
雪崩击穿：碰撞、倍增效应 齐纳击穿：直接破坏共价键
P
7V以上 4V以下
外电场
掺杂浓度低 掺杂浓度高
N
空 间 电 荷 区
－ － －
－ － －
－ － －
－ － －
+ + +
+ + +
+ + +
+ + IR +
内电场 E
EW
R
4、PN结的电容效应
iD I S (e vD / VT 1)
iD/mA
其中
1.0
IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
且在常温下（T=300K）
–1.0 iD=– IS
0.5
–0.5
0
0.5
1.0 D/V
kT VT 0.026V 26 mV q
PN结的伏安特性
3、PN 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。
载流子的浓度不温度密切相关：随着温度的升高，基本按指数规律 增加。
半导体与PN结的特性
半导体与PN结的特性半导体材料是一种在电学行为上介于导体和绝缘体之间的材料。
它具有一些独特的特性，其中一个重要的特性是PN结。
一、半导体的特性半导体的特性主要包括：1. 导电性：半导体在特定条件下能够导电。
半导体的导电性取决于其电子能带结构和掺杂材料类型。
2. 带隙：半导体具有较小的能带隙，即价带和导带之间的能量差。
能带隙的大小决定了半导体的导电性能。
3. 温度特性：半导体的电性质受温度的影响较大。
温度升高时，半导体的导电性会增加。
4. 灵敏度：半导体对光、温度和电磁场的变化具有较高的灵敏度，可以用于光电器件、传感器等应用。
二、PN结的特性PN结是由P型半导体和N型半导体通过接触形成的结。
PN结具有以下特性：1. 势垒：PN结有一个内置电场，形成一个势垒，导致P区与N区之间的电荷分布不均匀。
P区的多数载流子是空穴，N区的多数载流子是电子。
2. 正向偏置：当外加电压正向偏置PN结时，即P区连接正电压，N区连接负电压，势垒会减小，电子和空穴会在势垒区域内重新组合，形成电流通过。
3. 反向偏置：当外加电压反向偏置PN结时，即P区连接负电压，N区连接正电压，势垒会增大，形成一个较大的电阻，几乎没有电流通过。
4. 正向漏电流：正向偏置时，PN结会产生正向漏电流。
正向漏电流的大小与应用的电压和PN结的材料特性有关。
5. 反向击穿：反向偏置电压过高时，PN结会发生击穿现象，导致电流突然增大。
这种现象需要避免，以免损坏器件。
三、PN结的应用PN结由于其特性的调控和控制，被广泛应用于以下领域：1. 整流器：PN结具有整流作用，可以将交流电转换为直流电，广泛应用于电子设备的电源部分。
2. 放大器：PN结可以用作放大电路的基本元件。
通过合理的偏置和电路设计，可以放大输入信号的幅度。
3. 光电器件：PN结受光照射会产生电荷，用于太阳能电池、光电二极管等光电转换器件。
4. 传感器：PN结对温度、压力等外界环境变化非常敏感，可以用于传感器的制造。
PN结的形成和特性
二极管正向连接
二极管反向连接
21
第 3章 二极管及其基本电路
仿真P
此时发光二极管发光，说明PN结导电。
若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低 阻性，所以电流大； 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（也就是允许电流流 过PN结的条件），称PN结正向偏置，简称正偏。
P型半导体和N型半导体一结合，在交界面上形成了 稳定的电层，我们利用PN结的这个特性了解它是如何 具备单向导电性 .
还要利用这个特性设计制造二极管和三极管。
19
第 3章 二极管及其基本电路
小结 1.空间电荷区中没有载流子。只剩下正负离子.
2.空间电荷区由于存在内电场，内电场阻碍P区
中的空穴(多子)运动.由于多子很多我们称作扩 散运动。促进了少子的漂移运动.，
- - - - - -+ + + +
P
N
当扩散与漂移作用平衡时
a. 流过PN结的净电流为零
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）
++ ++ ++ ++ ++ ++
17
第 3章 二极管及其基本电路
PN结形成过程动画演示
18
第 3章 二极管及其基本电路
扩散使PN结变宽，使它的内电场变强，而漂移的作 用又使空间电荷区变薄，最终PN结稳定在一定的宽度.
PN结的形成及特性
PN结及其特性详细介绍
P N结及其特性详细介绍1.PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。
此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。
这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）。
由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场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。
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PN结的形成过程（动画）2.PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。
如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。
(1)PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况如图所示。
外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。
于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。
扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。
PN结加正向电压时的导电情况(2)PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
半导体的概念及PN结的特性
半导体的概念及PN结的特性半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有中等导电性能。
相较于导体，半导体的导电能力较弱；而与绝缘体相比，半导体的导电能力较强。
半导体材料常见的包括硅(Si)和锗(Ge)等。
在现代电子技术中，半导体是一种至关重要的材料，广泛应用于各个领域。
半导体中最基本的结构是PN结，它由P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体中的杂质原子掺入少量具有较多电子缺陷的三价原子，如硼(B)；N型半导体中的杂质原子掺入少量具有较多自由电子的五价原子，如磷(P)。
PN结的形成使得半导体中出现了电子的自由移动。
PN结具有一些特性，下面将逐一进行论述。
一、整流特性PN结具有整流作用，即只允许电流在特定方向上通过。
当外加电压为正向偏置时，即P端连接正电极、N端连接负电极，PN结会变得导电，允许电流通过；而当外加电压为反向偏置时，PN结会变为绝缘状态，阻止电流通过。
二、箝位特性当PN结为正向偏置时，P区的电子与N区的空穴发生复合，产生电流。
这样的特性被称为箝位作用，可广泛应用于电子元件中，如二极管、三极管等。
三、发光特性一些半导体材料在正向偏置时，通过注入光子能够产生光线的特性。
这种半导体器件被称为发光二极管(LED)，可用于照明、信息显示等领域。
四、太阳能电池特性在太阳能电池中，PN结可将太阳光的能量转化为电能。
太阳能电池的工作原理就是通过PN结中光生电子和空穴的分离来实现的。
五、热敏特性PN结具有温度敏感性，其导电特性会随着温度的升高或降低而变化。
这一特性可应用于温度传感器的制作。
六、放大特性PN结还能够发挥放大作用，用于制造晶体管。
晶体管在电子技术中具有重要的地位，可用于信号放大、开关等。
七、光控特性插入PN结的杂质可以通过外界光照的变化来控制PN结的电导率，这种特性被广泛应用于光敏电阻、光控开关等器件中。
总结：半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有中等导电性能。
PN结是半导体中最基本的结构，它具有整流、箝位、发光、太阳能电池、热敏、放大和光控等特性。
PN结的形成及其特性
新型结构研究
要点一
异质结结构研究
异质结结构能够提高pn结的电子输运性能和稳定性，是当 前研究的热点之一。通过深入研究异质结的能带结构和界 面特性，有望实现更高效的电子传输和控制。
要点二
纳米结构研究
纳米技术在pn结中的应用具有巨大的潜力，通过将pn结纳 米化，可以进一步增强其物理特性和性能。例如，利用纳 米线或纳米薄膜构建pn结，可以实现更快的响应速度和更 低的能耗。
应用领域拓展
物联网领域
随着物联网技术的快速发展，pn结在物联 网领域的应用前景广阔。例如，在传感器、 无线通信和智能家居等领域，pn结可以发 挥重要作用。通过优化pn结的性能和稳定 性，有望推动物联网技术的进一步发展。
新能源领域
新能源领域是当前社会发展的重要方向， pn结在太阳能电池、风力发电和燃料电池 等领域具有广泛应用。通过改进pn结的能 效和稳定性，有助于推动新能源技术的进步
传感器
温度传感器
温度传感器是利用pn结的电压随温度变 化的特性来测量温度的装置。通过测量 pn结的电压值，可以推算出被测物体的 温度。
VS
气体传感器
气体传感器是利用不同气体对pn结的导 电性能产生不同影响的特性来检测气体的 装置。通过测量pn结的电流值，可以判 断出被测气体是否存在以及其浓度大小。
pn结的特性
电学特性
正向导通特性
在正向电压作用下，空穴从P区流向N 区，电子从N区流向P区，形成正向电
流。
整流特性
pn结具有单向导电性，即正向导通， 反向截止。
反向截止特性
在反向电压作用下，空间电荷
当反向电压增大到一定值时，会发生 电击穿，电流急剧增大。
和可持续发展。
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半导体物理与PN结的特性
半导体物理与PN结的特性半导体物理是关于半导体材料的电子结构、电输运特性以及与宏观器件性能之间关系的研究领域。
在半导体器件中，PN结是一种最为基础和常见的结构，具有重要的特性和应用。
本文将从基本概念、物理原理以及特性表达几个方面阐述半导体物理与PN结的特性。
1. 基本概念和原理半导体物理是研究半导体材料中的电子和空穴行为的学科。
半导体是具有介于导体和绝缘体之间导电特性的材料。
半导体材料中，电子和空穴是主要的载流子，其运动和组合形成了半导体器件的特性。
PN结是由P型（正电荷载流子为空穴）和N型（负电荷载流子为电子）两种半导体材料的结合而成，形成了一种特殊的电子结构。
2. PN结特性PN结具有以下几个重要特性：2.1. 半导体材料的特性PN结中的半导体材料需要具备良好的电子迁移率和载流子浓度，以保证有效的电子传导和空穴传输。
不同的半导体材料会影响PN结的电子特性和性能，常见的半导体材料包括硅(Si)和锗(Ge)等。
2.2. 势垒形成与耗尽区当P型半导体与N型半导体结合时，P区和N区之间形成一个势垒。
势垒形成需要考虑材料的能带结构以及载流子浓度差异等因素。
在PN结的势垒区域，电子和空穴重新组合，形成了一个耗尽区，无载流子传导。
2.3. 正向偏置和反向偏置在PN结中，当正向电压施加在P区（阳极）上，而负向电压施加在N区（阴极）上时，称为正向偏置。
正向偏置会减小势垒高度，增加电子和空穴的扩散，使得载流子能够通过PN结。
而反向偏置则会增加势垒高度，阻止载流子的传播。
3. PN结的应用PN结作为半导体物理中最基础的结构之一，具有广泛的应用。
3.1. 二极管PN结可以用于制造二极管，二极管是一种最简单的半导体器件，具有只允许单向电流传导的特性。
正向偏置时，二极管导通；反向偏置时，二极管截止。
3.2. 光伏效应当光照射到PN结上时，能量被半导体吸收，导致电子和空穴的产生和分离。
这种光电能量转化的现象被称为光伏效应，是太阳能电池的基础原理之一。
模电-半导体特性、PN结形成及特性48页PPT
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
模电-半导体特性、PN结形成及特性 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
PN结的形成及其特性
+ + +
+ + + + +
+ + + + +
_
P
－ － －
+ N
+
+
－
－
－
内电场 外电场
R
E
也可以说：PN结正偏时，正向电阻很小， 特点：PN结加正向电压时，呈现低电阻，
而正向电流较大； 具有较大的正向扩散电流； PN结反偏时，反向电阻 PN结加反向电压时，呈现高电 很大， 阻， 而反向电流很小； 具有很小的反向漂移电流。
+ + + + + + + + + + + + + + +
扩散运动 P型半导体
－ － － － － － － － － －
－ － － － － － － － － － － －
N型半导体
+
+ + +
+ + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + +
－
－
空间电荷区
漂移运动 扩散运动 P型半导体
－ －
N型半导体
+
+ + +
+ + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + +
PN结的形成及导电特性
PN结的形成及导电特性ＰＮ结的形成在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就形成了一个ＰＮ结。
扩散运动：由于载流子浓度差的存在，Ｐ型区的空穴（多子）向Ｎ型区扩散，并与N区的自由电子复合；Ｎ型区的电子（多子）向Ｐ型区扩散，并与P区的空穴复合。
扩散运动使Ｐ区失去空穴，留下负离子，Ｎ区失去电子，留下正离子，形成一个很薄的空间电荷区（ＰＮ结）。
在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。
漂移运动：空间电荷区的正负离子间形成了一个内电场，从Ｎ区指向Ｐ区，对扩散运动起阻碍作用，同时，该电场使Ｐ区电子（少子）向Ｎ区漂移，Ｎ区空穴（少子）向Ｐ区漂移，漂移运动使空间电荷减少，空间电荷区变窄。
扩散运动使空间电荷区变宽，内电场增强，扩散阻力增大，漂移运动增强，而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，扩散运动增强，当达到动态平衡时，空间电荷区的宽度一定。
ＰＮ结的宽度一般为0.5umＰＮ结的单向导电性ＰＮ结加正向电压（正向偏置）正向偏置即外加电压的正极接 P区一侧，负极接 N区一侧，ＰＮ结正偏时，两边的多子被推向ＰＮ结，空间电荷区变窄，内电场减弱，扩散运动加强，漂移运动减弱，形成较大的正向电流If，且随外加电压而变化。
当外加正向电压增加到一定数值后，正向电流将大大增加，此时，外加正向电压只要有微小的变化，便能使正向电流发生显著变化。
因此，在正向偏置时，PN结呈现一个很小的电阻。
ＰＮ结加反向电压（反向偏置）外加电压的正极接 N区，负极接P区，称为反向偏置，ＰＮ结反偏时，外加电场与内电场方向一致，两边的多子被拉离ＰＮ结，空间电荷区变宽，内电场增强，扩散运动减弱，漂移运动增强，形成很小的漂移电流IR（反向电流），电压增高时，反向电流增加不大（少子数量有限）。
半导体物理pn结
半导体物理pn结半导体物理PN结是半导体电子学中的重要概念，它由P型半导体和N型半导体组成。
PN结的研究对于理解半导体材料的特性和开发电子器件具有重要意义。
本文将介绍PN结的形成、特性以及应用。
一、PN结的形成PN结是由P型半导体和N型半导体相接形成的结构。
在P型半导体中，电子浓度较低，空穴浓度较高。
而在N型半导体中，电子浓度较高，空穴浓度较低。
当将这两种半导体材料相接时，由于电子和空穴之间的扩散运动，形成了一个空乏区域，称为耗尽层。
二、PN结的特性1. 效应PN结具有整流效应，即在正向偏置的情况下，电流可以通过PN结；而在反向偏置时，电流非常小，几乎可以忽略不计。
这种整流效应使得PN结广泛应用于电子器件中，例如二极管。
2. 正向偏置当PN结的P区施加正电压，N区施加负电压时，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。
此时，PN结的空乏层变窄，载流子扩散通过结，形成正向电流。
3. 反向偏置当PN结的P区施加负电压，N区施加正电压时，电子从P区向N区扩散，空穴从N区向P区扩散。
此时，PN结的空乏层变宽，载流子难以通过结，形成反向电流。
三、PN结的应用1. 二极管PN结作为二极管的基本元件，广泛应用于电子器件中。
在正向偏置时，二极管具有低电阻态；在反向偏置时，二极管具有高电阻态。
基于这种特性，二极管用于整流电路、调制电路和开关电路等方面。
2. 光电二极管光电二极管是一种特殊的二极管，它能够将光能转化为电能。
当光照射在光电二极管上时，光子激发了PN结中的载流子，从而产生电流。
光电二极管广泛应用于光通信、太阳能电池等领域。
3. 功能改变PN结通过控制正向偏置和反向偏置的电压，可以改变PN结的导电特性。
例如，在特定电压下，PN结可以实现放大、开关、振荡等功能。
这种特性被广泛应用于放大器、开关电路和振荡电路等器件中。
结论PN结作为半导体物理中的重要概念，具有整流效应和调控电流的特性。
通过控制正向偏置和反向偏置的电压，PN结能够实现不同的功能。
PN结的形成及特性-推荐精选PPT
PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的反向击穿 PN结的电容效应
在对一于块P本型征半半导导体体和在N两型侧半通导过体扩结散合不面同，的离杂
质子,分薄别层形形成成N的型空半间导电体荷和区P型称半为导PN体结。。此时将在 N型半导在体空和间P电型荷半区导，体由的于结缺合少面多上子形，成所如以下也物 理称过耗程尽: 层。
0
0.5
1.0 DD/V
PN结的伏安特性
PN结加反向电压时的导电情况
PN结加正向电压时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩散电流；
PN结加反向电压时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。
PN结的单向导电性
(3) PN结V- I 特性表达式
iDIS(evD/V T1)
因浓度差
多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
iD/m A 1.0
0.5
– 1.0
– 0.5
0
0.5
1.0 D/V
PN结的伏安特性
PN结加正向电压时的导电情况
在一P定N的结温的度单条件向下导，电由本性征激发决定的
少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是 恒当定外的加，电基压本使上PN与结所中加P区反的向电电位压高的于大N小区无的关电，位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 因且浓在度 常 (2差温)下（PTN=3这0结0K）个加电反流向也电称压为时反向饱和电流。
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（2）稳压管的稳压区是其工作在 A. 正向导通 B.反向截止
3、杂质半导体说明
杂质半导体的表示
(a) N 型半导体 问题 N 型半导体里有没有空穴？ P 型半导体里有没有电子？
(b) P 型半导体
问 题
为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半
导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？
为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是
影响温度稳定性的主要因素？
既然P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自
由电子，所以，P型半导体带正电。此说法正确吗？
四、PN 结的形成及其单向导电性
PN结形成 PN结的单向导电性
PN结的特性曲线
PN结的电容效应
四、PN 结的形成及其单向导电性
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P 型半导体，另一侧掺 杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的 薄层，称为PN 结。
1、N 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体。 掺入 杂质后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最 外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身 原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。
P
5
1、N 型半导体
3、杂质半导体说明
杂质半导体的导电能力大大改善，且其导电能力由掺杂质浓度决定。
掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。
杂质半导体总体上保持电中性。
杂质半导体的转型
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。
单晶体中的共价键结构
+4
+4
+4 价 电 子
+4 共 价 键 +4
+4
+4
+4
+4
当温度 T = 0 K 时，本征半导体不导电，如同绝缘体。
二、本征半导体
本征激发（热激发）
若温度升高，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键 中留下一个空位——空穴。
+4
+4
空穴
+4
自由电子
载流子的浓度与温度密切相关：随着温度的升高，基本按指数规律 增加。
本征半导体导电能力
U
在 外 电 场 作 用 下
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
本征半导体导电能力
U +4 +4 +4 电 子 运 动 形 成 电 子 电 流
+4
+4
+4
+4
+4
+4
本征半导体导电能力
U
+4
+4
+4
+4
+4
PN 结加反向电压
P 空间电荷区 N
IS
内电场方向 外电场方向
V
R
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I R 反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。
2、PN 的单向导电性
PN结反偏动画演示
思考：空穴比未加杂质时的数目多了还是少了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导
电性越强，实现导电性可控。
2、P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等， 即构成 P 型半导体。 P 型半导体的晶体结构
B
2、P 型半导体
PN 结加正向电压
P
空间电荷区
N
I
V
内电场方向 外电场方向
R
正向电压（正向接法、正向偏置、正偏）
空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流
在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防 止电流过大，可接入电阻 R。
2、PN 的单向导电性
PN结正偏动画演示
PN结的电容效应：势垒电容、扩散电容
课堂练习
一、判断 （1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。 （ ） （2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） （3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ） 二、选择 （1）PN结加正向电压时，空间电荷区将 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 。 C.反向击穿 。
+4
半导体导电机理动画演示
小结
带负电的自由电子
(1) 在半导体中有两种载流子
带正电的空穴
这就是半导体和导体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、光照、外加电场发生变化
本征半导体能不能在半导体器件中直接使用？
三、杂质半导体
P 型半导体
N 型半导体
第二讲 半导体的特性、PN结的形成及特性
主要内容
什么是半导体？ 本征半导体 杂质半导体
P型半导体 N型半导体
PN结的形成及特性
目的与要求
了解本征半导体的结构和特征 理解杂质半导体的结构和特征 牢固掌握P型和N型半导体的特点 理解PN结的形成机理，掌握其单向导电性
P型半导体的形成过程动画演示
2、 P 型半导体
P 型半导体的特点
空穴浓度远大于电子浓度，即 p >> n 多数载流子（多子）——空穴 少数载流子（少子）——电子
思考： 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少 子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？
+ + +
EW
R
4、PN结的电容效应
扩散电容Ca
+ P区 耗尽层 N区 －
当外加正向电压 不同时，扩散区靠近 PN结两侧堆积的少子 的数量及浓度梯度也 不同，这就相当电容 的充放电过程。
P 区中电子 浓度分布
N 区中空穴 浓度分布
Ln
x
Lp
4、PN 结的电容效应
扩散电容CD 势垒电容CB
N型半导体的形成过程动画演示
1、N 型半导体
自由电子 施主原子 N型半导体
多数载流子（多子）——电子 少数载流子（少子）——空穴 电子浓度＞＞空穴浓度
因电子带负电，称这种半导体为 N(negative)型或电子型半导体。
施主原子
1、N 型半导体
在T=300K 室温下：
本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3； 本征硅的电子和空穴浓度: n=p=1.4×1010/cm3； 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3。 该三个浓度依次相差6个数量级。
半导体的导电性能由其原子结构决定的。
一、什么是半导体？
硅原子结构
价电子
最外层电子称价电子 锗原子也是 4 价元素。
4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的
(a)硅的原子结构图 +4
正离子和周围 4个价电子表示。
(b)简化模型
二、本征半导体
本征半导体：完全纯净的（9个9）、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。
iD I S (e vD / VT 1)
iD/mA
其中
1.0
IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
且在常温下（T=300K）
– 1.0 iD=– IS
0.5
– 0.5
0
0.5
1.0 D/V
kT VT 0.026V 26 mV q
PN结的伏安特性
3、PN 的特性曲线
2、PN 的单向导电性
小结
当PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结论：PN 结具有单向导电性。
结处于 导通状态；
结处于截止状态。
单向导电性
正偏导通，反偏截止
3、PN 的特性曲线
PN结的伏安特性表达式
空穴可看成带正电的载流子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
本征半导体具有微弱的导电能力，且导电能力与温度有关
二、本征半导体
电子和空穴产生过程动画演示
二、本征半导体
自由电子-空穴对：本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的。 （成双配对）
两种载流子
自由电子
空穴 复合
由于物质的运动，自由电子和空穴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动态平衡，载流子的浓度就一 定了。
P
阻挡层 空间电荷区
N
□ 漂移运动
□ 内电场有利于少子运动—漂移。 □ 少子的运动与多子运动方向相反
内电场
UD
1、PN 结中载流子的运动
扩散与漂移的动态平衡
扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；
当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空 间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态 平衡。
+4
+4
+4
+4ห้องสมุดไป่ตู้