第2讲 半导体基础知识
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们生活的这个科技日新月异的时代，半导体已经成为了无处不在的关键元素。
但究竟什么是半导体呢？半导体，从本质上来说，是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电性能既不像铜、铝等金属那样优秀，能够轻易地让电流通过，也不像橡胶、塑料等绝缘体那样几乎完全阻止电流的流动。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
以硅为例，它在元素周期表中位于金属和非金属的交界位置，这使得它的原子结构具有独特的性质，从而表现出半导体的特性。
半导体的这种特殊导电性，使得我们能够通过对其进行巧妙的处理和控制，实现各种各样神奇的功能。
二、半导体的特性半导体具有一些非常重要的特性，正是这些特性使得它们在现代电子技术中发挥着无可替代的作用。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著改变。
温度升高时，其电阻会减小；温度降低时，电阻则会增大。
利用这一特性，我们制造出了热敏电阻，用于温度测量、温度控制等领域。
2、光敏特性半导体在受到光照时，其导电能力会大大增强。
基于这一特点，我们开发出了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入微量的杂质元素，可以极大地改变其导电性能。
这种掺杂过程就像是给半导体“调味”，不同的“调料”（杂质）和不同的“用量”（掺杂浓度）会让半导体展现出不同的电学特性。
三、半导体的制造工艺了解了半导体的基本概念和特性后，我们来看看半导体是如何被制造出来的。
制造半导体的过程就像是在微观世界里进行一场精细的“雕刻”。
首先是原材料的准备，通常是高纯度的硅晶圆。
然后，通过一系列复杂的工艺步骤，在晶圆上构建出各种微小的结构和器件。
其中，光刻技术是关键的环节之一。
它就像是在晶圆上用“光”来绘制精细的电路图。
通过将特定的光刻胶涂覆在晶圆表面，然后用紫外线等光源透过掩膜版进行照射，使光刻胶发生化学反应，从而在晶圆上形成需要的图案。
接下来是掺杂，将杂质原子引入到特定的区域，以改变其电学性质。
半导体的基础知识与PN结
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，
半导体二极管—半导体的基本知识(电工电子课件)
半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空 穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度
ni=pi 下标i表示为本征半导体
载流子的产生与复合
价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同 时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子 的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一 定的。
本征激发
＋4
＋4
＋4
空穴
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
E
＋4
＋4
＋4
空穴
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
空穴移动产生电流 代表束缚电子移动产生电流
结论：
由此可见,在本征半导体中，共价键或束缚电子移动产 生电流的根本原因是由于空穴而引起的。我们可以将空 穴看成一个带正电荷的粒子，在外加电场作用下，它可 以自由的移动， 移动的方向和电流的方向相同。所以 空穴也是一种载流子
受主原子
空穴
由于三价杂质原子容易吸收电子，故称为受主原子。 P型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数 载流子。
P型半导体特点 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形 成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
半导体仍呈电中性
4.载流子的漂移与扩散 1）漂移
由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移
本征半导体中掺入某种微量元 素（杂质）后，它的导电能力 增强，利用该特性可形成杂质 半导体
半导体基础知识
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杂质半导体的示意表示方法 负离子
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + 正离子 + + + + + + + + + + + + + + + + + +
空穴
－ － － － － － P型半导体 型半导体
自由电子
N型半导体 型半导体
本征半导体的导电机制
－
E
＋
自由电子 本征半导体的 导电性取决于 外加能量：温 度变化，导电 性变化；光照 变化，导电性 变化。
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+4
+4 空穴
+4
+4
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡，就形成了PN结 达到动态平衡，就形成了 结。
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半导体的共价键结构
半导体的导电性能是由其原子结构决定的。 半导体的导电性能是由其原子结构决定的。 硅原子和锗原子的结构
半导体基础知识
半导体基础知识在现代科技的高速发展中，半导体无疑是其中一颗璀璨的明星。
从我们日常使用的智能手机、电脑，到各种先进的医疗设备、智能家电，半导体的身影无处不在。
那么，究竟什么是半导体？它又有着怎样的特性和重要作用呢？要理解半导体，首先得从物质的导电性说起。
我们知道，物质按照导电性可以大致分为导体、绝缘体和半导体三类。
导体，比如常见的金属铜、铝等，它们内部存在大量自由电子，能够很容易地传导电流。
绝缘体，像塑料、橡胶等，其内部几乎没有自由电子，电流很难通过。
而半导体则处于两者之间，它的导电性既不像导体那样良好，也不像绝缘体那样极差。
半导体的导电性能可以通过掺杂等方式进行调控。
比如，纯净的硅在常温下是一种半导体，但如果掺入少量的磷元素，就会变成 N 型半导体，其中的多数载流子是电子；如果掺入少量的硼元素，则会变成 P 型半导体，多数载流子为空穴。
这种特性使得半导体在电子学领域具有极其重要的应用价值。
半导体的核心元件之一是二极管。
二极管具有单向导电性，只允许电流从一个方向通过。
它由 P 型半导体和 N 型半导体结合而成，形成一个 PN 结。
当在 PN 结上加正向电压时，二极管导通；加反向电压时，二极管截止。
这种特性被广泛应用于整流电路中，将交流电转换为直流电。
三极管是另一个重要的半导体元件。
它可以实现电流的放大作用。
通过控制基极电流的大小，可以改变集电极和发射极之间的电流，从而实现对信号的放大。
这在通信、音频放大等领域有着广泛的应用。
在集成电路中，半导体更是发挥了关键作用。
集成电路将大量的半导体元件集成在一块小小的芯片上，实现了复杂的功能。
从简单的逻辑门到复杂的微处理器，集成电路的发展极大地推动了电子技术的进步。
半导体的制造工艺是一个极其复杂和精细的过程。
首先，需要从高纯度的硅材料开始，经过一系列的加工步骤，如光刻、蚀刻、掺杂等，来制造出各种半导体元件。
光刻技术就像是在硅片上进行精细的“雕刻”，通过使用特定波长的光线和光刻胶，将设计好的电路图案转移到硅片上。
半导体基础知识
容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半 导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思， 一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导 电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质） 所形成的半导体。杂质半导体有两类：N 型半导体和 P 型半导体。
多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此 处受到破坏。
7．常用半导体材料的晶体生长方向有几种？
我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的，因此单晶表现出各向异性。单晶生长的这种方向直接来自晶 格结构，常用半导体材料的晶体生长方向是<111>和<100>。
29．半导体芯片制造对厂房洁净度有什么要求？
空气中的一个小尘埃将影响整个芯片的完整性、成品率，并影响其电学性能和可*性，所以半导体芯片制造工艺需 在超净厂房内进行。1977 年 5 月，原四机部颁布的《电子工业洁净度等级试行规定》如下：
电子工业洁净度等级试行规定
洁净室等 洁净度 温度（℃） 相对湿度 正压值 噪声
电阻率 ρ=1/σ，单位为 Ω*cm
9．PN 结是如何形成的？它具有什么特性？
如果用工艺的方法，把一边是 N 型半导体另一边是 P 型半导体结合在一起，这时 N 型半导体中的多数载流子电子 就要向 P 型半导体一边渗透扩散。结果是 N 型区域中邻近 P 型区一边的薄层 A 中有一部分电子扩散到 P 型区域中去了， 如图 2-6 所示（图略）。薄层 A 中因失去了这一部分电子 而带有正电。同样，P 型区域中邻近 N 型区域一边的薄层 B 中有一部分空穴扩散到 N 型区域一边去了，如图 2-7 所示（图略）。结果使薄层 B 带有负电。这样就在 N 型和 P 型两 种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层 A 和 B（其中 A 带正电，B 带负电）。A、B 间便产生了一个电场， 这个带电的薄层 A 和 B，叫做 PN 结，又叫做阻挡层。
半导体基础知识
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构：最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。
绝缘体导电性：极差。
如惰性气体和橡胶。
半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。
半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间。
半导体的特点：★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。
晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。
共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。
空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。
空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。
自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。
复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体基础知识
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
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流…… 4）按频率分：高频和低频
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2）内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反－ － － － － － 运动最终达到 衡，相当于两－ － － － － － 区之间没有电－ － － － － － 运动，空间电 区的厚度固定－ － － － － － 变。
在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位， 称为空穴。
第二讲-半导体基础知识
§1 半导体
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
当IB一定时，从发射区扩散到基区 的电子数大致一定。当UCE超过1V以 后，这些电子的绝大部分被拉入集
电区而形成集电极电流IC 。之后即 使UCE继续增大，集电极电流IC也不 会再有明显的增加，具有恒流特性。
0
IB=0 UCE / V
当IB增大时，相应IC也增大，输出特性曲线上移， 且IC增大的 幅度比对应IB大得多。这一点正是晶体管的电流放大作用。 从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数β。
iD
+
uS －
D
+
10KΩ u0 －
图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲， 高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出 电压为多少。
当输入电压ui=－5V时，二极管反偏截止，此时电路 可视为开路，输出电压u0=0V； 当输入电压ui= +5V时，二极管正偏导通，导通时二极管 管压降近似为零，故输出电压u0≈+5V。 显然输出电压u0限幅在0~+5V之间。
因基区薄且多子浓度低，使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合
(完整word版)半导体基础知识
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构:最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。
绝缘体导电性:极差。
如惰性气体和橡胶.半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧.半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间.半导体的特点：★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化.晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。
共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子.空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动,形成电子电流。
空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流.自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发.复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体基础知识详细
半导体基础知识详细半导体是一种电子特性介于导体和绝缘体之间的材料。
它的电阻率介于导体和绝缘体之间，而且在外界条件下可以通过控制电场、光照、温度等因素来改变其电子特性。
半导体材料广泛应用于电子器件、太阳能电池、光电器件、传感器等领域。
1. 半导体的基本概念半导体是指在温度为绝对零度时，其电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。
在室温下，半导体的电阻率通常在10^-3到10^8Ω·cm之间。
半导体的导电性质可以通过控制材料中的杂质浓度来改变，这种过程称为掺杂。
2. 半导体的晶体结构半导体的晶体结构分为两种：共价键晶体和离子键晶体。
共价键晶体是由原子间共享电子形成的晶体，如硅、锗等。
共价键晶体的晶格结构稳定，电子在晶格中移动时需要克服较大的势垒，因此其导电性较差。
离子键晶体是由正负离子间的静电作用形成的晶体，如氯化钠、氧化镁等。
离子键晶体的晶格结构较稳定，电子在晶格中移动时需要克服较小的势垒，因此其导电性较好。
3. 半导体的能带结构半导体的能带结构是指半导体中电子能量的分布情况。
半导体的能带结构分为价带和导带两部分。
价带是指半导体中最高的能量带，其中填满了价电子。
导带是指半导体中次高的能量带，其中没有或只有很少的电子。
当半导体中的电子受到外界激发时，可以从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
4. 半导体的掺杂半导体的掺杂是指向半导体中加入少量的杂质原子，以改变其电子特性。
掺杂分为n型和p 型两种。
n型半导体是指向半导体中掺入少量的五价杂质原子，如磷、砷等。
这些杂质原子会向半导体中释放一个电子，形成自由电子，从而提高半导体的导电性能。
p型半导体是指向半导体中掺入少量的三价杂质原子，如硼、铝等。
这些杂质原子会从半导体中吸收一个电子，形成空穴，从而提高半导体的导电性能。
5. 半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的电子器件，包括二极管、晶体管、场效应管、集成电路等。
二极管是一种由n型半导体和p型半导体组成的器件，具有单向导电性。
半导体主要知识点总结
半导体主要知识点总结一、半导体的基本概念1.1半导体的定义与特点：半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料，具有介于导体和绝缘体之间的电阻率。
与导体相比，半导体的电阻率较高；与绝缘体相比，半导体的电子传导性能较好。
由于半导体具有这种特殊的电学性质，因此具有重要的电子学应用价值。
1.2半导体的晶体结构：半导体晶体结构通常是由离子键或共价键构成的晶体结构。
半导体的晶体结构对其电学性质有重要的影响，这也是半导体电学性质的重要基础。
1.3半导体的能带结构：半导体的电学性质与其能带结构密切相关。
在半导体的能带结构中，通常存在导带和价带，以及禁带。
导带中的载流子为自由电子，价带中的载流子为空穴，而在禁带中则没有载流子存在。
二、半导体的掺杂和电子输运2.1半导体的掺杂：半导体的电学性质可以通过掺杂来调控。
通常会向半导体中引入杂质原子，以改变半导体的电学性质。
N型半导体是指将少量的五价杂质引入四价半导体中，以增加自由电子的浓度。
P型半导体是指将少量的三价杂质引入四价半导体中，以增加空穴的浓度。
2.2半导体中的载流子输运：在半导体中，载流子可以通过漂移和扩散两种方式进行输运。
漂移是指载流子在电场作用下移动的过程，而扩散是指载流子由高浓度区域向低浓度区域扩散的过程。
这两种过程决定了半导体材料的电学性质。
三、半导体器件与应用3.1二极管：二极管是一种基本的半导体器件，由N型半导体和P型半导体组成。
二极管具有整流和选择通道的功能，是现代电子设备中广泛应用的器件之一。
3.2晶体管：晶体管是一种由多个半导体材料组成的器件。
它通常由多个P型半导体、N型半导体和掺杂层组成。
晶体管是目前电子设备中最重要的器件之一，具有放大、开关和稳定电流等功能。
3.3集成电路：集成电路是将大量的电子器件集成在一块芯片上的器件。
它是现代电子设备中最重要的组成部分之一，可以实现各种复杂的功能，如计算、存储和通信等。
3.4发光二极管：发光二极管是一种将电能转化为光能的半导体器件，具有高效、省电和寿命长的特点。
半导体基础知识(48)PPT课件
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！
个人观点供参考，欢迎讨论！
2、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由 电子和带正电的空穴均参与导 电，且运动方向相反。由于载 流子数目很少，导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 绝对温度0K时不导电。
载流子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、杂质半导体
1、N型半导体
5
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？
四、PN结的电容效应
1、势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生
变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容为势垒电容Cb。 2、扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容为扩散电容Cd。
第二讲 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及单向导电性 四、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子 核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度才可能导电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净，晶体结构的半导体。
无杂质 稳定的结构
1、本征半导体的结构
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚
半导体材料的基础知识
半导体材料的基础知识半导体材料是一种在现代电子学和信息技术中应用广泛的材料。
它的基础性质和应用原理可以说是当代物理学和电子技术的重要研究内容。
在本文中，我们将介绍半导体材料的基础知识。
1. 半导体材料的基本结构半导体材料通常由硅，锗，蓝宝石，碳化硅等多种材料组成。
半导体材料的结构比较复杂，但是可以分为三个主要部分：晶格结构，杂质、缺陷与材料表面。
（1）晶格结构半导体材料是由晶体结构组成的，它具有一定的周期性和对称性。
硅族元素和氮族元素晶格结构通常为立方晶系，锗和砷的晶格结构则为钻石晶系。
晶格结构的大小和组成决定了材料的物理性质。
（2）杂质、缺陷和材料表面半导体材料的表面和晶界可能存在杂质和缺陷。
杂质是指掺入半导体晶体中的不同元素，通常称为掺杂。
这种掺杂可以改变材料的特性，如电导率、热导率等，从而使其达到所需的性能。
缺陷则是材料的晶体中的结构性变化。
他们可以导致材料的导电性变化，从而影响整个电子系统的运行效果。
2. 半导体物理特性半导体材料数电子学通常被用于发展系统和设备。
因为半导体材料具有一些特殊的物理和电学特性。
（1）导电类型半导体材料的导电型别主要有p型和n型。
它们的特点在于材料中的掺杂浓度不同。
p型是指加入含有三个电子的元素，取代了材料中原来的元素。
这些三价元素可以在p型半导体中留下空位置，其中可以容纳自由电子，从而形成电子空穴。
n型半导体与p 型有所不同，它是通过向材料中掺入含有五个电子的元素来形成的，如磷、硒等元素。
这些五价元素可以提供更多的自由电子，从而导致电子流通的过程。
（2）禁带宽度半导体材料有一个固有的能带结构，这个能带称为禁带。
当材料导电时，电子从导带中被激发到价带中。
而导带和价带之间的距离称为禁带宽度。
这个宽度影响材料的电性质，并且也很重要，因为它决定了材料能否被用作半导体器件的基础。
3. 典型半导体器件半导体材料不仅可以作为电子元器件的基础材料，还可以制成各种各样的器件。
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• 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。
1.1 半导体基础知识
1.1.1 本征半导体
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。
Si +14 2 8 4
Ge +32 2 8 18 4
原子结构简化图：
硅和锗的晶 体结构：
1.1.1 本征半导体
共价键 由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚
而成为自由电子
自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。
无杂质
惯性核：原子核和内层电
+4
子
外层价电子：最外层电子
#！惯性核的正电荷量与电子的负电荷量相等，原子呈中性。
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 稳定的结构 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
1.1.1 本征半导体
1、本征半导体的结构
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体 点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其 它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原 子之间形成共价键，共用一对价电子。
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
1.1.2 杂质半导体
第二讲 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结
1.1 半导体基础知识
根据导电能力把物质分类：
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体。
1.1 半导体基础知识
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
1.1.2 杂质半导体
5.杂质半导体的示意表示法 负离子
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空穴(多子) P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。
1.1.1 本征半导体
本征激发：半导体中共价键分裂产生电子、空穴对 的过程。
原因：加热、光或其它射线照射。
载流子的复合：自由电子在运动过程中能量减少， 有可能填补空穴恢复共价键，该过程称 为~。
激发
动态平衡 一定外界环境条件下
复合
1.1.1 本征半导体
2、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流 子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。
结电容： Cj Cb Cd
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！
热击穿电击穿
1.1.3 PN结
5.PN结的电容效应
1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生
变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度 影响小.
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
1.1 半导体基础知识
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。其机 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：
近似认为多子与杂质浓度相等。
1.1.2 杂质半导体
6.载流子的漂移运动和扩散运动
热运动：没有电场作用时，半导体中载流子的不规 则运动。——无电流
漂移运动：有电场作用时，半导体中载流子产生定 向运动。——漂移电流
扩散运动：当半导体受光照或从外界有载流子注入 时，半导体内载流子浓度分布不均匀，载流子从高 浓度区域向低浓度区域运动。——扩散电流
漂移运动 因电场作用所产生 的运动称为漂移运动。
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡，就形成了PN结。
1.1.3 PN结
因浓度差
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
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 扩散运动 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 漂移运动 少子向对方漂移,称漂移运动
光敏器件 光电器件
1.1 半导体基础知识
1.1.3 PN结
1.PN结的形成
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继 续进行。
1.1.3 PN 结
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。
掺入五价元素如P、As(砷)等， 形成N型半导体，也称电子型半导体
1.1.2 杂质半导体
1. N 型半导体
5
多数载流子
N 型半导体中的载流子是什 么？
杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多， 多子浓度越高，导电性越强， 实现导电性可控。
磷（P）
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
少子。
空穴(多子)：杂质原子+本征激发 电子(少子)：本征激发
# 负离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
1.1.2 杂质半导体
3.杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
–1.0
––0.5
0
0.5
1.0 DD/V
• 当加正向电压时： • 当加反向电压时：
PN结伏安特性
I ISeU UT
(U>>UT)
I IS
1.1.3 PN结
4. PN结的伏安特性
反向特性
正向特性
反向击穿
1.1.3 PN结
PN结向电压达到某一数值时，反向电 流激增的现象。
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
半导体器件
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
1.1 半导体基础知识
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中通过扩散工艺，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。
掺入三价元素如B、Al等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体
杂质半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电能力大为提高
漂移运动产生漂移电流。 动态平衡 扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。
PN 结 稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层
1.1.3 PN结
2.PN结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加
剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于导通 状态。
PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，
2. P型半导体
3
硼（B）
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强。
在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？
1.1.2 杂质半导体
空穴
+4
+4
硼原子
+3
+4
P 型半导体 中空穴是多 子，电子是
有利于漂移运动，形成漂移电 流。由于电流很小，故可近似 认为其截止。
1.1.3 PN结
3. PN结电流方程