电子技术基础第二第三章

半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
本征半导体 —
化学成分纯净的半导体,制造半导体器件的 半导体材料的纯度要达到99.9999999%， 常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。如硅、锗 单晶体。
硅（锗）的原子结构，四价元素，物质化学性质由价电子决定
Si 2 8 4
Ge 2 8 18 4
2.2 PN结
一、PN结的形成 二、PN结的单向导电性 三、PN结的击穿特性 四、 PN结的电容效应
一、 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:
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
当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电 流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大， 此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：
一、雪崩击穿 二、齐纳击穿
➢ 雪崩击穿：当反向电压足够高时（U>6V） PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子 加速，与中性原子相碰，使之价电子受激 发产生新的电子空穴对，又被加速，而形 成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤 增。
一是势垒电容CB ， (Barrier、Build) 二是扩散电容CD 。(diffuse)
(1) 势垒电容CB
PN结两端电压改变时，阻挡层厚薄也发生变化 ，从而引起阻挡层(空间电荷区、耗尽层、势垒区) 内电荷变化，从而显示出PN结的电容效应，势垒
电容CB是用来描述势垒区的空间电荷随电压变化而
产生的电容效应的。
简化 模型
+4
价电子
惯性核
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4
(1）本征半导体的共价键结构
这种结构的立体和平面示意图见下图
(c)
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图
硅原子空间排列及共价键结构平面示意图
（2）电子空穴对
1
2
本征激发和复合的过程图 可见因光或热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出 现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空 穴中去，称为复合，本征激发和复合在一定温度下会达到动 态平衡。
(2) 扩散电容CD
PN结正向偏置时，多数载流子在扩散过程中引 起电荷积累（即积累在P区的电子和N区的空穴） ，正向电压变化时，积累在P区的电子和N区的空 穴随外加电压的变化就构成了PN结的扩散电容。
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分析证明
垫垒电容CB正比于PN结面积S，反比于耗尽区厚度
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。 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。
三、PN结的击穿特性
区最称后为P,多N结子。的在扩空散间和电少荷区子，的由漂于移缺达少到多子动，态所平以衡也。称耗
尽层。
一、 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:
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。
(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图
(2) PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电情况图
在一定的温度条件下，由本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定的，基本上与所 加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。
二、 PN结的单向导电性
➢ 齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结 的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压 （U<4V），耗尽层可获得很大的场强， 足以将价电子从共价键中拉出来，而获得 更多的电子空穴对，使反向电流骤增。
四、PN结的电容效应
PN结的两端电压变化时，引起的PN结内 电荷变化，即为PN结的电容效应。PN结的电容 有两种：
在N提型供半自导由体电中子自的由五电价子杂是质多原数子载因流带子正,它电主荷要而由成杂为 质正原离子子提，供因；此空五穴价是杂少质数原载子流也子称,为由施热主激杂发质形。成。
(2) P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟 等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
P型半导体的结构示意图
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2.1.1 本征半导体
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、 绝缘体和半导体。
常用的半导体材料有：元素半导体，如硅Si和锗Ge ；化合物半导体砷化镓GaAs；以及掺杂或制成其他化 合物半导体的材料，如硼（B）、磷（P）、铟（In） 和锑（Sb）等。 半导体特性： ➢导电能力介于导体和绝缘体之间 ➢受到外界光和热的刺激时，导电能力发生显著改变 ➢在纯净半导体中掺入微量杂质，导电能力显著增加
空P穴型很半容导易体俘中获空电穴子是，多使数杂载质流原子子，成主为要负由离掺子杂。形三成价 ；杂电质子因是而少数也载称流为子受，主由杂热质激。发形成。
半导体的载流子运动和温度特性
一、载流子的运动
➢ 漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在 电场的作用下产生的运动。其运动产生的 电流方向一致。
➢ 扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形 成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产 生扩散运动。
2.1 半导体的物理特性 2.2 PN结的形成 2.3 半导体二极管 2.4 半导体三极管 2.5 场效应管
电子电路由许多半导体元器件组成（半导体二极 管、半导体三极管、场效应管等）→半导体导电过 程→半导体器件的基本组成部分PN结→半导体二极 管、半导体三极管、场效应管的结构、工作原理、 特性曲线及主要参数。
2.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使 半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三 价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导 体。
分为两类：(1)ห้องสมุดไป่ตู้N型半导体
(2) P型半导体
(1）N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形 成 N型半导体,也称电子型半导体。