武汉大学模电课件第-一-章
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共价键
+4
+4
共用 电子对
+4
+4
形成共价键后，每个原子的最外层电子 是八个，构成稳定结构。
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶 体。
+4
+4
+4
+4
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称 为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键。
2、本征半导体的导电原理
（1）本征激发 载流子: 自由电子、空穴
半导体具有某些特殊性质：光敏热敏、掺杂特性
1、本征半导体的结构与模型
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
＋4
除去价电子后 的原子
价电子
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
硅和锗的晶体结构
硅和锗的共价键结构
于VT，正向电流远大于Is，则可得
正偏
门坎电压 Vth
PN 结 PN 结
正 反
偏 iDIsevD/VT 偏 iD－Is
Is非常小，常忽 略不计。
PN结的温度特性
iD
T
PN 结 PN 结
正 反
偏 iDIsevD/VT 偏 iD－Is
Is
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降Vth↓
→反向饱和电流IS↑，V(BR) ↓
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
பைடு நூலகம்
－－ + + 数量有限，只能形成较小电流
_
－－ + +
P －－ + +
N
+ ＊ 硅PN结的Is为
－－ + +
pA级
内电场 V R 外电场
IR
＊ 温度T增加→ Is增大
反偏时，PN结呈现为一个大电阻。
结论
PN结正向偏置
空间电荷区变窄 正向电阻很小（理
想时为0）
正向电流较大
PN结导通
PN结反向偏置
空间电荷区变宽 反向电阻很大（理
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
1.1.3 半导体中的电流
1、漂移电流 外加电场时，载流子在电场力的作用下形 成定向运动，称为漂移运动，并由此产生 电流，称为漂移电流。
漂移电流为两种载流子漂移电流之和，方 向与外电场一致。
2、扩散电流
当半导体有光照或者载流子注入时，半导体中 将出现载流子的浓度差，载流子将由高浓度区 域向低浓度区域运动，这种定向运动称为扩散 运动，由此形成的电流称为扩散电流。
空穴
+4 +4
+4
+4
自由电子 束缚电子
（2）本征半导体的导电原理
+4 +4
本征半导体中存在数 量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
+4 +4
本征半导体中外界激发产生 的自由电子和空穴总是成对 出现，两者数目相同。
同时，自由电子也能跳入空穴，重新为共价键 束缚，两者同时消失，此现象称为“复合”。
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。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带 正电荷成为正离子，五价杂质原子被称为施主杂质
杂质半导体中，多子浓度近似等于杂质浓 度，少子浓度与杂质浓度成反比，与本征半 导体载流子浓度的平方成正比，故温度上升 时，多子浓度几乎不便，而少子浓度则迅速 增加。
第一章
半导体 器件与模型
1.1 半导体的导电特性
1.1.1 本征半导体
导体：金、银 铝、 等铜 容铁 易、 传导 质电 （流 电的 阻物 率 绝 缘:橡 体胶 、 木 头 、 瓷石 等英 几、 乎陶 不 传 物导 质电 （电阻率很大） 半导体：导电性 导能 体介 和于 绝缘体之 质间 ，的物 如硅、锗、硒、 等砷 。化钾
3 Eg0
据理论分析和实验证明，有 ni A0T2e2kT
A0:与 材 料 相 关 的T系 :热数力 学 温 度 Eg0:T0时 的 禁 带 宽 K:度 玻 耳 兹 曼 常 数
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体 的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个 重要的外部因素，这是半导体的一大特点。
N区接低电位（负电位） →正偏→正向电流
变薄
内电场被削弱，多子的扩
散加强，能够形成较大的
+
－+ －+
扩散电流_。
P －+
N
－+
IF
内电场
外电场
VF
正偏时，PN结呈现 为一个小电阻。
2、反向特性
PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高 电位（正电位）。→反偏→反向电流
变厚
内电场被加强，多子的扩散受 抑制。少子漂移加强，但少子
少子浓度随温度的变化是影响半导体器件 性能的主要原因。
杂质对半导体导电性的影响
典型的数据:
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
3、本征半导体中载流子浓度
温度一定时，载流子的产生和复合将达到动态 平衡，此时载流子浓度为一热平衡值，温度升 高，本征激发产生的载流子数目将增加，但同 时复合作用也增加，载流子的产生和复合将在 新的更大浓度值的基础上达到动态平衡。
本征激发中有 ni2 n0 p0
ni：本征 半导 体载 流 平子 衡热 浓度 值 n0：自由电子P0浓 ：度 空穴浓度
本征半导体的导电能力很弱，可通过掺杂来 进行改善。
1.1.2 杂质半导体
掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。
P型半导体
本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形 成 P型半导体 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。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价 杂质称为受主杂质。
想时为∞） 反向电流（反向饱和电流）极小（理想时为0）
PN结截止
PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止
单向导电性
3、PN结的伏安特性
PN结所加端电压vD与流过它的电流I的 反偏
关系为：
iDIs(evD/VT 1)
Is :反向饱和v电 D:外 流加端电压 VT kT/q:T30K0时，2为 6mV
一般而言，要产生正向电流时，外加电压远大
1.2 PN结
N型 施主杂质: 自由电子 正离子
1.2.1 PN结的形成 P型 受主杂质: 空穴 负离子
浓度差 多子扩散运动
空间电荷区 （PN结） 内电场 阻止多子扩散 N指向P 促使少子漂移
内电场
电位
耗尽层 阻挡层 势垒区
1.2.2 PN结的导电特性
1、正向特性
PN结外加直流电压VF：P区接高电位（正电位），
+4
+4
共用 电子对
+4
+4
形成共价键后，每个原子的最外层电子 是八个，构成稳定结构。
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶 体。
+4
+4
+4
+4
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称 为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键。
2、本征半导体的导电原理
（1）本征激发 载流子: 自由电子、空穴
半导体具有某些特殊性质：光敏热敏、掺杂特性
1、本征半导体的结构与模型
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
＋4
除去价电子后 的原子
价电子
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
硅和锗的晶体结构
硅和锗的共价键结构
于VT，正向电流远大于Is，则可得
正偏
门坎电压 Vth
PN 结 PN 结
正 反
偏 iDIsevD/VT 偏 iD－Is
Is非常小，常忽 略不计。
PN结的温度特性
iD
T
PN 结 PN 结
正 反
偏 iDIsevD/VT 偏 iD－Is
Is
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降Vth↓
→反向饱和电流IS↑，V(BR) ↓
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
பைடு நூலகம்
－－ + + 数量有限，只能形成较小电流
_
－－ + +
P －－ + +
N
+ ＊ 硅PN结的Is为
－－ + +
pA级
内电场 V R 外电场
IR
＊ 温度T增加→ Is增大
反偏时，PN结呈现为一个大电阻。
结论
PN结正向偏置
空间电荷区变窄 正向电阻很小（理
想时为0）
正向电流较大
PN结导通
PN结反向偏置
空间电荷区变宽 反向电阻很大（理
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
1.1.3 半导体中的电流
1、漂移电流 外加电场时，载流子在电场力的作用下形 成定向运动，称为漂移运动，并由此产生 电流，称为漂移电流。
漂移电流为两种载流子漂移电流之和，方 向与外电场一致。
2、扩散电流
当半导体有光照或者载流子注入时，半导体中 将出现载流子的浓度差，载流子将由高浓度区 域向低浓度区域运动，这种定向运动称为扩散 运动，由此形成的电流称为扩散电流。
空穴
+4 +4
+4
+4
自由电子 束缚电子
（2）本征半导体的导电原理
+4 +4
本征半导体中存在数 量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
+4 +4
本征半导体中外界激发产生 的自由电子和空穴总是成对 出现，两者数目相同。
同时，自由电子也能跳入空穴，重新为共价键 束缚，两者同时消失，此现象称为“复合”。
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。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带 正电荷成为正离子，五价杂质原子被称为施主杂质
杂质半导体中，多子浓度近似等于杂质浓 度，少子浓度与杂质浓度成反比，与本征半 导体载流子浓度的平方成正比，故温度上升 时，多子浓度几乎不便，而少子浓度则迅速 增加。
第一章
半导体 器件与模型
1.1 半导体的导电特性
1.1.1 本征半导体
导体：金、银 铝、 等铜 容铁 易、 传导 质电 （流 电的 阻物 率 绝 缘:橡 体胶 、 木 头 、 瓷石 等英 几、 乎陶 不 传 物导 质电 （电阻率很大） 半导体：导电性 导能 体介 和于 绝缘体之 质间 ，的物 如硅、锗、硒、 等砷 。化钾
3 Eg0
据理论分析和实验证明，有 ni A0T2e2kT
A0:与 材 料 相 关 的T系 :热数力 学 温 度 Eg0:T0时 的 禁 带 宽 K:度 玻 耳 兹 曼 常 数
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体 的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个 重要的外部因素，这是半导体的一大特点。
N区接低电位（负电位） →正偏→正向电流
变薄
内电场被削弱，多子的扩
散加强，能够形成较大的
+
－+ －+
扩散电流_。
P －+
N
－+
IF
内电场
外电场
VF
正偏时，PN结呈现 为一个小电阻。
2、反向特性
PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高 电位（正电位）。→反偏→反向电流
变厚
内电场被加强，多子的扩散受 抑制。少子漂移加强，但少子
少子浓度随温度的变化是影响半导体器件 性能的主要原因。
杂质对半导体导电性的影响
典型的数据:
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
3、本征半导体中载流子浓度
温度一定时，载流子的产生和复合将达到动态 平衡，此时载流子浓度为一热平衡值，温度升 高，本征激发产生的载流子数目将增加，但同 时复合作用也增加，载流子的产生和复合将在 新的更大浓度值的基础上达到动态平衡。
本征激发中有 ni2 n0 p0
ni：本征 半导 体载 流 平子 衡热 浓度 值 n0：自由电子P0浓 ：度 空穴浓度
本征半导体的导电能力很弱，可通过掺杂来 进行改善。
1.1.2 杂质半导体
掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。
P型半导体
本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形 成 P型半导体 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。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价 杂质称为受主杂质。
想时为∞） 反向电流（反向饱和电流）极小（理想时为0）
PN结截止
PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止
单向导电性
3、PN结的伏安特性
PN结所加端电压vD与流过它的电流I的 反偏
关系为：
iDIs(evD/VT 1)
Is :反向饱和v电 D:外 流加端电压 VT kT/q:T30K0时，2为 6mV
一般而言，要产生正向电流时，外加电压远大
1.2 PN结
N型 施主杂质: 自由电子 正离子
1.2.1 PN结的形成 P型 受主杂质: 空穴 负离子
浓度差 多子扩散运动
空间电荷区 （PN结） 内电场 阻止多子扩散 N指向P 促使少子漂移
内电场
电位
耗尽层 阻挡层 势垒区
1.2.2 PN结的导电特性
1、正向特性
PN结外加直流电压VF：P区接高电位（正电位），