第1章—01-半导体基础知识讲解

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。
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
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？
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
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)
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
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。
+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
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
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
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。
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
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。
+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。
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
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。 ( √ )
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
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。 ），