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三、PN结的形成
1、飘移电流和扩散电流
（１） 半导体在没有外加电场的情况下，电子和空穴 均处于杂乱无章的热骚动状态，它们的平均移动速度为零， 不产生电流。在有电场作用时，载流子将做定向运动，这 种运动叫漂移，由此引起的电流叫飘移电流。
（２） 在电中性的半导体中，当同一种载流子浓度有差 别的时，载流子将从浓度较高的区域向浓度较低的区域运 动，这种运动叫扩散运动。由载流子扩散运动形成的电流 叫做扩散电流。
注意：即使如此，本征半导体 的导电能力也是很差的，否则 就不叫半导体了。
二、杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的其他适当的元素， 其导电能力就会有巨大变化，这就是半导体的 “掺杂特性”。掺入的元素叫“杂质”，掺入杂 质后的半导体叫“杂质半导体”。 半导体器件中的杂质半导体有N型半导体和P型半 导体两种，主要通过在本征半导体中掺入不同的 元素而形成。
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Cb。
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 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Cd。
结电容： C j Cb Cd 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！
U ho 0.1 ~ 0.3V
。
PN 结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加 剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于导通 状态。
PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动， 有利于漂移运动，形成漂移电 流。由于电流很小，故可近似 认为其截止。
四、PN 结的电容效应
本征半导体中的“电子空穴对”
• 当外部能量大于电子脱离共价键的束缚 所需的能量时，电子将脱离共价键而成为 自由电子，同时，在其原来所在的共价键 中留下一个空位，叫做“空穴”。
• 即自由电子和空穴是成对地出现的, 称为 “电子空穴对” 。
电子空穴对的产生和复合
共价键
由于热运动，具有足够能量的 价电子挣脱共价键的束缚而成 为自由电子 自由电子的产生使共价键中留下 一个空位置，称为空穴。电子空 穴对由此产生
电子空穴成地对相碰而消失的过程，称为的复合。 动态平衡 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，自由电 子与空穴对的浓度加大。
3、本征半导体中的两种载流子及其流动
运载电荷的粒子称为载流子。
自由电子为带负电量的粒子，在外电 场的作用下，它们将逆着电场方向自
子是少数载流子，参与导电的载流子主要以空穴为 主 。在杂质（如硼或铝等）原子获得电子后，成为 负离子，叫受主离子，同样，它也不能自由移动
P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂 质越多，空穴浓度越高，导电性越强，
硼（B）
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？
1.1 半导体基础知识
一、本征半导体
1、什么是半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等低价金属元素。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。 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，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们的 原子最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
1. N型半导体
在硅（或锗）的晶体内掺入少量的 五价元素（如磷或锑等）就构成Ｎ 型半导体。磷原子以四个价电子与 相邻的硅原子组成共价键，多余的 一个价电子在室温下它就能脱离磷 原子而成为自由电子。
Ｎ型半导体中，除了杂质给出的自 由电子外，原晶体本身因本征激发 会产生少量的电子空穴对，但由于 增加了许多额外的自由电子，因此， Ｎ型半导体中自由电子数远大于空 穴数，其导电特性将以自由电子导 电为主。所以 ，在这里将自由电 子称为多数载流子（简称多子）， 将空穴称为少数载流子（简称少子） 杂质（如磷或锑等）原子施放 电子而成为（带正电荷的）离 子，这个过程叫杂质电离，施 放电子的杂质叫施主杂质或Ｎ 型杂质。(注意：在这里离子 是不能自由移动的)
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磷（P）
2. P型半导体
在硅（或锗）的晶体内掺入 少量的三价元素硼（铝 、镓 等）就构成Ｐ型半导体
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在Ｐ型半导体的晶体点阵中，某些位置上的硅 原子被硼原子所代替后，它的三个价电子与相 邻的四个硅原子组成共价键时，因缺少一个电 子而产生一个空位。在室温下与其相邻的硅原 子共价键上的电子可能填补这个空位，从而在 该电子原来所处的位置上造成带正电的空穴， 而硼原子则因获得电子变成带负电的离子。常 温下每个硼原子都能引起一个空穴，从而使半 导体中空穴数量大大增加而导致其导电能力大 大增强。在Ｐ型半导体中空穴是多数载流子，电
结论：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电
本征半导体中载流子浓度的热平衡
在一定温度下，伴随着电子 空穴对的大量产生，其复合数量 也逐渐增加，最终使产生和复合 达到动态平衡。在温度一定时， 空穴浓度和电子浓度一定、并且 相等 由于本征载流子浓度随温度上升 而迅速增大，因此，导电能力随 着温度上升而显著增强，这是本 征半导体的一个重要特性。这个 特性可用来制造半导体温度传感 器
半导体的交界面后，在交界面附近区域里，P区的空穴与Ｎ区的电子复合，而N区 的电子则与P区的空穴复合，扩散的结果破坏了P区和N区交界面附近的电中性条件， 在Ｐ区一侧由于失去空穴而留下不能移动的负离子（受主离子），Ｎ区一侧因失去 电子而留下了不能移动的正离子（施主离子）。这些不能移动的正、负离子所在的 区域叫空间电荷区，该电荷区中，带电的正、负离子要建立一个由Ｎ区指向Ｐ区的 内电场。载流子浓度差别越大，则空间电荷区越宽，内电场也越强。
PN结的结构
用掺杂工艺使同一种半导体材料（如本征硅）的一侧形成Ｐ型半导 体，而另一侧形成Ｎ型半导体，这样，在两种半导体交界处的一段 区域内将形成ＰＮ结。
ＰＮ结有如下特点：
( a ) 扩散运动建立空间电 荷区和内电场 由于存在浓度的差别，而 使载流子产生扩散运动（注 意：都是多子的扩散），P区 的多子空穴向N区扩散，而N 区的多子电子向P区扩散。当 载流子通过两种
பைடு நூலகம்
由运动而形成漂移电流。
而空穴会被相邻原子的价电子填补， 从而在这个价电子原来的位置上又出 现了新的空穴，这就形成了空穴的自 由转移。在外电场的作用下，空穴将 顺着电场方向运动，从而也造成电荷 的定向迁移而形成漂移电流。为区别 本征半导体在热力学温度0K时不导 电子的这两种不同的运动方式，把价 电子填补空穴的运动看成为带正电荷 电，温度升高则热运动加剧，载流 的粒子 ——“空穴载流子”的逆向运动。 子浓度增大而导电性增强。
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硅和锗的单个原子结构及其简化模型
本征半导体
高度提纯、晶体结构完整的单晶体称为 本征半导体。 为制造半导体器件的最基本材料。
2、本征半导体的晶体结构
它们有三个特征： (ａ) 原子按一定的规律 整齐排列，组成一定形 式的空间点阵, 即晶格。 (ｂ) 形成晶体中的“共 价键”结构。 (ｃ)每个硅原子最外层 形成拥有八个共有电子 的稳定结构。
( b) 内电场将阻碍多子的扩散和促使少子的漂移。
( c ) 当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡时， 空间电荷区的宽度和内部电场强度都是定值。至此， “PN结”（即空间电荷区）宣告形成。由于空间电荷区 内几乎没有载流子，因此也将其称为耗尽层。 ＰＮ结的内电场所建立的电位差的大小与半导体材料、掺杂浓 度及环境温度有关。在室温下，硅材料的 U ho 0.6 ~ 0.8V ，锗材料的
清华大学 华成英 hchya@