半导体的基础知识与PN结

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(或称空穴型半导体 ）。
空穴浓度多于自由电子浓度 空穴为多数载流子(简称多子）， 电子为少数载流子(简称少子)。
+3
(本征半导体掺入 3 价元素后，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 3 个价电 子，3与硅构成共价键，多余一个空 穴。)
6．在PN结的两端通过一块电流表短接，回路中无其它电源
，当用光照射该半导体时，电流表的读数是____C___。
A．增大 B．减小 C．为零 D．视光照强度而定
7．P型半导体中的多数载流子是__B_____。
A．电子 B．空穴 C．电荷 D．电流
8．N型半导体中的多数载流子是____A___。
A．自由电子 B．空穴 C．电荷 D．电流
B．P型半导体中只有空穴导电 C．N型半导体中只有自由电子参与导电 D．在半导体中有自由电子、空穴、离子参与导电
12．N型半导体中，主要靠__C_____导电，_______是少数载
流子。
A．空穴／空穴
B．空穴／自由电子
C．自由电子／空穴 D．自由电子／自由电子
13．P型半导体中，主要靠___B____导电，_______是少数载
+4
+4
+4
图 1.1.1 本征半导体结构示意图
3、本征半导体中的两种载流子
若 T ，将有少数价
T
电子克服共价键的束缚成
为自由电子，在原来的共 +4
+4
价键中留下一个空位—— 空穴。
自由电子和空穴使本
空穴
+4
+4
征半导体具有导电能力，
但很微弱。
+4
+4
+4 自由电子
+4
+4
空穴可看成带正电的 载流子。
4．半导体的载流子随温度升高而___D____，也就是说半导体
的导电性能随温度升高而_______。 A．减小／增强 B．减小／减弱 C．增加／减弱 D．增加／增强
5．半导体的导电能力在不同条件下有很大差别，若___C____
导电能力会减弱
A．掺杂非金属元素 B．增大光照
C．降低环境温度
D．掺杂金属元素
流子
A．空穴／空穴
B．空穴／自由电子
C．自由电子／空穴 D．自由电子／自由电子
14．下列PN结两端的电位值，使PN结导通的是____B___。
A．P端接十5V，N端经电阻接十7V B．N端接十2V，P端经电阻接十7V C．P端接一3V，N端经电阻接十7V D．P端接十1V，N端经电阻接十6V
15．在半导体PN结两端加___B____就可使其导通
1、本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外 层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
2、本征半导体的晶体结构
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体
称为本征半导体
+4
+4
+4
将硅或锗材料提 纯便形成单晶体 ，它的原子结构
共
价 键
+4
+4
价 电 子
+4
为共价键结构。
当温度 T = 0 K 时，半导 体不导电，如同绝缘体 。
缘体之间，称为半导体， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等 。
二、半导体的导电机理
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于 其它物质的特点。例如：
1.掺杂性 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。
2.热敏性和光敏性 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显 变化。
三、 本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）
说明：
1. 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。
2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。
3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
(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
1.2 PN结
四、 杂质半导体
• 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
杂质半导体有两种
N 型半导体 P 型半导体
1、 N 型半导体(Negative)
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(或称电子型 半导体)。
课堂巩固练习
1．用于制造半导体器件的半导体材料是___B__2．在纯净半导体中掺入3价元素形成的是_______型半导体
。
A
A．P B．N C．PN D．电子导电
3．半导体的导电能力随温度升高而___D____，金属导体的电
阻率随温度升高而_______。 A．降低／降低 B．降低／升高 C．升高／降低 D．升高／升高
第一章 半导体器件
第一节 半导体基础知识 第二节 PN结及其单向导电性 第三节 半导体二极管 第四节 双极性三极管
1.1 半导体的基础知识
一、半导体概念 导体：自然界中很容易导电的物质称为导 体，
金属一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，
如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝
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。
一、PN 结的形成
P
PN结
N
图 PN 结的形成
PN 结中载流子的运动
1. 扩散运动
P
N
电子和空穴
浓度差形成多数
载流子的扩散运
动。
2. 扩散运动 形成空间电荷区
耗尽层
A．正向电子流 B．正向电压
C．反向电压
D．反向电子流
P
空间电荷区
N
—— PN 结，耗 尽层。
（动画1-3）
3. 空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 内电场； 内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
4. 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
阻挡层
P
空间电荷区
N
内电场 Uho
5. 扩散与漂移的动态平衡
较大的正向电流。
又称正向偏置，简称正偏。
P
耗尽层
什么是PN结的单向
N
导电性？
有什么作用？
I 内电场方向
外电场方向
V
R
图 1.1.6
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 结外加反向电压时处于截止状态(反偏) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内 电场的作用；
9．在晶体硅、锗中，参于导电的是_D______。
A．离子 B．自由电子 C．空穴 D．B和C
10．在半导体两端加上外电压时，半导体中出现的电流是_D___。
A．自由电子电流 B．空穴电流
C．离子电流
D．A和B
11．关于P型、N型半导体内参与导电的粒子，下列说法正
确的是_____A__。
A．无论是P型还是N型半导体，参与导电的都是自由电 子和空穴
外电场使空间电荷区变宽；
不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ；
由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小 。
P
耗尽层
N
IS
内电场方向
外电场方向
V
R
图 1.1.7 PN 结加反向电压时截止
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。
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时，形成PN结
。
P
PN结
N
二、 PN 结的单向导电性 空间电荷区变窄，有利
1. PN结 外加正向电压时处于导通于状扩态散运动，电路中有
3、结论
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 (2) (2) 加反向电压（反偏）——电源正极接N区，负极接P
区
PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低 电阻， PN结导通；
PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现 高电阻， PN结截止
由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴
（动画1-1）（动画1-2
4、本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子 和空穴。
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高,因此本征半导体的导电 能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部 因素，这是半导体的一大特点。
自由电子浓度远大于空穴的浓度 电子称为多数载流子(简称多子)， 空穴称为少数载流子(简称少子)。
(本征半导体掺入 5 价元素后，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。)
2、 P 型半导体