第1章—01-半导体基础知识讲解

稳定的空间电荷区，又称高阻区 ，也称耗尽层。
2、PN结的接触电位差
内电场的建立，使PN结中产生 了电位差 ，从而形成接触电位U。
接触电位U决定于材料及掺杂浓度

U
硅： U=0.6～0.7 V 锗： U=0.2～0.3 V
3、PN结的伏安特性
1. PN结加正向电压时的导电情况 P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 原理：外电场方向与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 内 外
第一章 常用半导体器件
1.1、半导体的基础知识 1.2、半导体二极管 1.3、晶体三极管
1.4、场效应管
1.1. 半导体基础知识
一、半导体特性 二、本征半导体 三、杂质半导体 四、PN结
一、半导体特性
什么是半导体？
导 体: 导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子) 绝缘体: 导电率为10-22～10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云 母、塑料，He,Ne,Ar,Ke,Xe,Rn等惰性气体。 半导体: 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅14、锗32、 光敏器件 砷化镓等。 光电器件 半导体特性 掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 温度特性 光照特性 温度增加使导电率大为增加
正离子
硅（锗）的原子 结构简化模型
二、本征半导体
本征半导体的原子结构和共价键
共价键内的电子 称为束缚电子
+4 +4 +4
自由电子定向移动 形成电子流 外电场E
导带
+4 +4
+4
禁带EG 价带
+4
+4
+4
挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
价带中留下的空位称为空穴半导体能带结构示意图 锗晶体的共价键结构示意图
半导体器件பைடு நூலகம்
热敏器件
光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
二、本征半导体
本征半导体
完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。
晶体特征 在晶体中，质点的排列有一定的规律。 常用的本征半导体 价电子
+4 注意：为了方便， 原子结构常用二维 结构描述，实际上 是三维结构。
三、杂质半导体
结论：在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体 的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小 得多，但两者乘积保持不变。
n· p = ni ·pi = ni2=C
其中：ni 表示本征材料中电子的浓度 pi 表示本征材料中空穴的浓度。
四、PN结
1、PN结的形成 2、PN结的接触电位差 3、PN结的伏安特性 4、PN结的反向击穿 5、PN结电容
多子的扩散运动 浓度差 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场阻止多子扩散
内电场促使少子漂移 扩散运动 漂移运动 动态平衡 PN 结
多子从浓度大向浓度小的区域扩散 , 称扩散运动。 扩散运动产生扩散电流。 少子向对方漂移,称漂移运动。 漂移运动产生漂移电流。
P区 N区 扩散电流 = 漂移电流，PN结内总电流=0。
当加正向电压时：
I IS
U UT e
U
当加反向电压时：
I IS
4、PN结的反向击穿
反向击穿： PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电 流激增的现象。 击穿是可逆。掺杂浓度 大的二极管容易发生。 当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电 齐纳击穿 子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。 雪崩击穿
当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在 空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形 成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。
PN结的电流或电压较大，使PN 不可逆击穿 — 热击穿。 结耗散功率超过极限值，使结温 升高，导致PN结过热而烧毁。 击穿是可逆。掺杂浓度 小的二极管容易发生。
5、PN结电容
2. N型半导体又称为（ A）半导体，其多数载流子是（B）， 少数载流子是（C）。 答：A是电子，B是电子，C是空穴。 判断：
1.在P型半导体中如果掺入足够量的五价元素，可将其改型 √ 为N型半导体。 ( 因为) 2. 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，节点流为零。 ( √ )
子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量。
载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导 电能力激增 。 半导体的掺杂、温度等可人为控制。
三、杂质半导体
P型半导体
+4 +3 +4
在本征半导体中掺入的三价元素如 B。 因留下的空穴很容易俘获 电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也 称为受主杂质。 导带
势垒电容CB 当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增 多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所 等效的电容为势垒电容。
5、PN结电容
扩散电容CD 外加电压不同情况下，P 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而 、N区少子浓度的分布将发生 形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电 变化，扩散区内电荷的积累 与释放过程与电容充放电过 源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就 程相同，这种电容等效为扩 堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度 散电容。 分布曲线。 •注意：势垒电容和扩散电 容均是非线性电容 , 并同时 存在。外加电压变化缓慢时 可以忽略，但是变化较快时 不容忽略。
始终在价带内运动 3. 注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激 发下，晶体内无自由电子，不导电。
二、本征半导体
本征半导体的载流子的浓度
电子浓度 ni :表示单位体积内的自由电子数 空穴浓度 pi :表示单位体积内的空穴数。
ni pi AoT e EG0 /2kT
A0 — 与材料有关的常数
空穴
自由电子
1、PN结的形成
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 扩散运动 N区 正电荷 载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流
负电荷 P区
扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡
P区
内电场
耗尽层 PN结
N区
1、PN结的形成
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4 +5
+4
杂质原子提供
价带
由热激发形成 空穴是少子
自由电子是多子（即多数载流子）
问题：与本征半导体相比，N型半导体中空穴多了？ 还是少了？
+4
+5 +4
+4
N型半导体
+4 +4 +4
+4
+4 +5
+4
自由电子是多子（即多数载流子）
空穴是少子
举例：锗原子密度为4.4×1022/cm3 ，锗本征半导
模拟电子技术基础
第1章 常用半导体器件
电子系 2010年9月 Electronic Department Sep. 2010
第一章.常用半导体器件
问题：
1.为什么用半导体材料制作电子器件？ 2.什么是空穴？空穴导电时电子运动吗 3.P型和N型半导体的概念是什么？ 4.PN结上所加的电压和电流符合欧姆定律吗？ 5.常用电子器件主要有哪些？ 6.各种器件有何功能？ 7.晶体管和场效应管为什么可以用于放大信号？
由半导体物理可推出：
I IS (e
式中
U UT
1)
Is 饱和电流;
UT = kT/q 等效电压
PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式
k 波尔兹曼常数；q为电子的电量；
T=300k（室温）时 UT= 26mv
3、PN结的伏安特性
结电流方程
I IS (e
U UT
1)
I (U>>UT)
3 2
EG0 — 禁带宽度
T k — 绝对温度 — 玻尔曼常数 1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi
结论
2. 载流子的浓度与T、EG0有关
二、本征半导体
载流子的产生与复合
g——载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。
R——载流子的复合率
即每秒成对复合的电子空穴的浓度。 当达到动态平衡时 g=R R = r nipi 其中r—复合系数，与材料有关。
+4
+4
+4
+4
+4
+4 +3
+4
-
-
-
-
-
-
受主 - 能级
杂质原子提供
价带
由热激发形成
空穴是多子
自由电子是少子
三、杂质半导体
杂质半导体的载流子浓度
P型半导体： NA表示受主杂质的浓度 ， n 表示电子的浓度 p 表示总空穴的浓度 p= n+ NA ≈ NA （受主杂质的浓度>>n）
N型半导体：施主杂质的浓度ND n 表示总电子的浓度 p 表示空穴的浓度 n =p+ND ≈ND（施主杂质的浓度>>p） 说明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不 变。在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数。
电流，可忽略漂移电流的
影响。
结论： PN结正偏时，呈现低阻性。
3、PN结的伏安特性
2. PN结加反向电压时的导电情况 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 原理：外电场与PN结内电场 方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动 阻碍增强，扩散电流大大减 小。少子在内电场的作用下 形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电 流大于扩散电流，可忽略扩 散电流。 外
三、杂质半导体
掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）
等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。 掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高。
掺入的五价元素如P（磷） 、砷等， 形成N型半导体，也称电子型半导体。
杂质半导体
三、杂质半导体
N型半导体
+5 +4
在本征半导体中掺入的五价元素，如P。 由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子。 导带 施主 + + + + + + + 能级
ni=2.5×1013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺 杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-
×4.4×1022=4.4×1018/cm3个砷原子。 则施主杂质浓度 为： ND= 4.4×1018/cm3 （比ni大十万倍）
4
杂质半导体小结：
尽管杂质含量很少（如万分之一），但提供的载流
二、本征半导体
载流子概念：运载电荷的粒子。 1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 它们是成对出现的 2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 自由电子作定向运动形成的 电子流 方向与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的
方向与外电场方向相同
小 结
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物 体。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都 可以改变半导体的导电性能。利用这些性能可制作成 具有各种特性的半导体器件。
PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、 非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。 当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。 当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。
内
结论： PN结反偏时，呈现高阻性， 近似为截止状态。
3、PN结的伏安特性
小结： 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。 结论是：PN结具有单向导 问题：有必要 加电阻R吗？ 电性。
3、PN结的伏安特性
3. PN结电流方程
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？ • 为什么半导体器件有最高工作频率？
填空： 1.在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于（ A 少数载流子的浓度则与（ B ）有很大关系。 答：A是掺杂浓度，B是温度。 ），