m11二极管
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本征半导体、空穴及其导电作用 杂质半导体
半导体的共价键结构
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四 个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的 价电子形成共价键。
原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后， 结构图为：
+4
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返回
本征半导体、空穴及其导电作用
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。
动画
图 01.08 PN结加反向电压 时的导电情况
（动画1-5）
结论： PN结具有单向导电性 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。
半导体二极管及基本电路
半导体的基本知识 PN结的形成及特性
半导体二极管
★二极管基本电路分析
特殊二极管
半导半体导的体的基基本本知知识识
根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘 体和半导体。
半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导体有硅 Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体的特点：1）导电能力不同于导体、绝缘体； 2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、 热敏元件； 3）掺进微量杂质，导电能力显著增加——半导体。
图 01.09 势垒电容示意图
②扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电 流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的 附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。
反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。
本征激发
+4 空穴 +4
+4
+4
+4 +4
+4
+4
自由电子
+4
+4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+4 +4
动画1-1
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，
这个空位为空穴。
因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。
返回
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。
扩散（浓度差）
漂移（电场力）
PN结=空间电荷区=耗尽层→内电场→ 电阻
PN结的单向导电性
(1) PN结加正向电压
外加的正向电压，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电流， 可忽略漂移电流的影响， PN结呈现低阻性。P区的 电位高于N区的电位，称 为加正向电压，简称正偏。
当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。
图 01.10 扩散电容示意图
半导半体导二体极二管极管
二极管 ：一个PN结就是一个二极管。 单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负 极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号：
本征半导体——化学成分纯净、结构完整的半 导体晶体，称为单晶硅。
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。
载流子——可以自由移动的带电粒子。
电导率——与材料单位体积中所含载流子数 有关，载流子浓度越高，电导率越高。
返回
电子空穴对
当T=0K和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子 可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子——本 征激发。
多子由掺杂产生, 少子由本征激发产生。 例：纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级，
在室温下，载流子浓度10 为ni=pi=1010数量级， 掺入百万分之一的杂质（1/106），即杂质浓度为 1022*（1/106）=1016数量级， 则掺杂后载流子浓度为1016+1010，约为1016数量级， 比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。
N型半导体（电子型半导体）
在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ) 多余电子， 自由电子 成为自由电子
+4
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+4
+45
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返回
P型半导体（空穴型半导体）
在本征半导体中掺入三价的元素（硼）
空穴
空穴
+4
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+43
+43
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+4
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返回
N型半导体的多子为自由电子，少子是空穴； P型半导体的多子为空穴， 少子是自由电子。
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 对于P型半导体和 N型半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。
图01.06 PN结的形成过程
（动画1-3）
两种载流子的 两种运动 动态平衡时
形成PN结
两种运动：
动画
（2）PN结加反向电压
外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同，加强 了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散 电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下 形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN 结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位，称为加反 向电压，简称反偏。
在一定的温度条件下，由本
返回
PNP结N结的的形形成成及及特特性性
PN结的形成 PN结的单向导电性
PN结的形成
在一块本征半导体 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。
因浓度差
+ 三价的元素
产生多余空穴
+ 五价的元素
产生多余电子
动画
多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场,由N区指向P区
总之： PN结正向电阻小，相当于开关合上；
反向电阻大，相当于开关断开。 ——单向导电性。
返回
(3) PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的 因素决定。
一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。
① 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的 厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷 量也随之变化，犹如电容的充放电。
半导体的共价键结构
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四 个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的 价电子形成共价键。
原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后， 结构图为：
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本征半导体、空穴及其导电作用
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。
动画
图 01.08 PN结加反向电压 时的导电情况
（动画1-5）
结论： PN结具有单向导电性 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。
半导体二极管及基本电路
半导体的基本知识 PN结的形成及特性
半导体二极管
★二极管基本电路分析
特殊二极管
半导半体导的体的基基本本知知识识
根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘 体和半导体。
半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导体有硅 Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体的特点：1）导电能力不同于导体、绝缘体； 2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、 热敏元件； 3）掺进微量杂质，导电能力显著增加——半导体。
图 01.09 势垒电容示意图
②扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电 流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的 附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。
反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。
本征激发
+4 空穴 +4
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+4 +4
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自由电子
+4
+4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+4 +4
动画1-1
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，
这个空位为空穴。
因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。
返回
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。
扩散（浓度差）
漂移（电场力）
PN结=空间电荷区=耗尽层→内电场→ 电阻
PN结的单向导电性
(1) PN结加正向电压
外加的正向电压，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电流， 可忽略漂移电流的影响， PN结呈现低阻性。P区的 电位高于N区的电位，称 为加正向电压，简称正偏。
当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。
图 01.10 扩散电容示意图
半导半体导二体极二管极管
二极管 ：一个PN结就是一个二极管。 单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负 极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号：
本征半导体——化学成分纯净、结构完整的半 导体晶体，称为单晶硅。
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。
载流子——可以自由移动的带电粒子。
电导率——与材料单位体积中所含载流子数 有关，载流子浓度越高，电导率越高。
返回
电子空穴对
当T=0K和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子 可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子——本 征激发。
多子由掺杂产生, 少子由本征激发产生。 例：纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级，
在室温下，载流子浓度10 为ni=pi=1010数量级， 掺入百万分之一的杂质（1/106），即杂质浓度为 1022*（1/106）=1016数量级， 则掺杂后载流子浓度为1016+1010，约为1016数量级， 比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。
N型半导体（电子型半导体）
在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ) 多余电子， 自由电子 成为自由电子
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P型半导体（空穴型半导体）
在本征半导体中掺入三价的元素（硼）
空穴
空穴
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N型半导体的多子为自由电子，少子是空穴； P型半导体的多子为空穴， 少子是自由电子。
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 对于P型半导体和 N型半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。
图01.06 PN结的形成过程
（动画1-3）
两种载流子的 两种运动 动态平衡时
形成PN结
两种运动：
动画
（2）PN结加反向电压
外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同，加强 了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散 电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下 形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN 结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位，称为加反 向电压，简称反偏。
在一定的温度条件下，由本
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PNP结N结的的形形成成及及特特性性
PN结的形成 PN结的单向导电性
PN结的形成
在一块本征半导体 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。
因浓度差
+ 三价的元素
产生多余空穴
+ 五价的元素
产生多余电子
动画
多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场,由N区指向P区
总之： PN结正向电阻小，相当于开关合上；
反向电阻大，相当于开关断开。 ——单向导电性。
返回
(3) PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的 因素决定。
一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。
① 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的 厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷 量也随之变化，犹如电容的充放电。