课程半导体基础知识资料讲解
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2020/8/4
１、物质的分类 （按导电性能）
导 体：导电性能很强，电阻率很小。
如：铁、铝、铜、银、金等。
绝缘体：即使外加很高的电压，也几乎没 有电流通过。
如：惰性气体、氦、氖等 高分子物质：橡胶、塑料、玻璃等； 陶瓷、云母等。
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间 的那些物质。
如：硅、锗及一些金属氧化物。
１.１ 半导体基础知识
重点： １、半导体的知识； ２、掺质半导体； ３、ＰＮ结的单向导电性； ４、ＰＮ结的伏安特性。
2020/8/4
一、知识回顾
１、信号 ２、电信号 ３、电子信息系统 ４、Multisim 10 软件介绍
2020/8/4
１.１ 半导体基础知识
（一）、半导体 （二）、掺杂半导体 （三）、ＰＮ结
１、Ｎ型半导体： 掺入微量五价元素： 如：磷、砷、锑等
２、Ｐ型半导体： 掺入微量三价元素： 如：硼、铝、镓等；
2020/8/4
１、N型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,
形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素
Si
Si
pS+i
Si
多
掺杂后自由电子数目
余 大量增加，自由电子导电
＋4
＋4
价
电
＋4
子
共
＋4
＋4
＋4
价
键
图1–1 硅和锗简化原子
结构模型
＋4
＋4
＋4
2020/8/4
图 1 – 2 本征半导体共价键晶体结构示意图
共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其 中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然 在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1-３所 示。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
2020/8/4
硅原子 空穴
P型半导体 Si Si
硼原子
B
Si
P型硅表示
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且 可以移动
2020/8/4
P型半导体
在本征半导体中, 掺入微量３价元素, 如硼、镓、铟等, 则 原来晶格中的某些硅 (锗)原子被杂质原子 代替。
u
i IS (eUT 1)
kT UT q
常温下，即Ｔ=300Ｋ时，ＵＴ≈26mＶ。
2020/8/4
４、ＰＮ结的伏安特性
正向特性 反向特性 反向击穿：
齐纳击穿 雪崩击穿
2020/8/4
５、ＰＮ结的电容效应
PN结的结电容Ｃj=Ｃb+Ｃd
2020/8/4
２、半导体的独特性能
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
浓度差 多子的扩散运动
动画
形成空间电荷区
扩散的结果使空间电
动画
荷区变宽。
2020/8/4
２、ＰＮ结的单向导电性
PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负
PN 结变窄
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
动画
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。 动画
2020/8/4
PN 结加反向电压（反向偏置
）
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
+++ +++ +++
+++ +++ +++
＋4
＋4
＋4
受主 原子
＋4
＋4
＋4
空位
＋4
＋4
＋4
2020/8/4
图 1 – 5 P型半导体的共价键结构
（三）、ＰＮ结
１、ＰＮ结的形成； ２、ＰＮ结的单向导电性； ３、ＰＮ结的电流方程 ４、ＰＮ结的伏安特性 ５、ＰＮ结的电容效应；
2020/8/4
１、ＰＮ结的形成
空间电荷区也称 PN 结
少子的漂移运动
内电场越强，漂移运
动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。
P 型半导体
内电场 N 型半导体
－－－－－－ + + + + + +
扩散和漂移
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + +
这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
＋4 空穴
＋4
＋4
＋4
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
动画
图 1 – 3 本征半导体中的自由电子和空穴
2020/8/4
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
2020/8/4
（二）、掺杂半导体
如磷、砷、锑等, 则
＋4
原来晶格中的某些硅
(锗)原子被杂质原子
代替。
＋4
＋4
＋4
键外 电子
＋5
＋4
施主 原子
＋4
＋4
2020/8/4
图 1 - 4 N型半导体共价键结构
２、P 型半导体
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
动画 掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
电 成为这种半导体的主要导
子 电方式，称为电子半导体
动画 或N型半导体。
失去一个 电子变为 正离子
磷原子
在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数
载流子。
2020/8/4
硅原子 磷原子
2020/8/4
N型半导体
Si
Si
多余电子
P
Si
N型硅表示 +
N型半导体
＋4
在本征半导体中,
掺入微量５价元素,
P
IR
内电场 外电场
–+
N
P接负、N接正
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
动画
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，
反向电阻较大，PN结处于截止状态。
动画
温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
2020/8/4
３、ＰＮ结的电流方程
qu
i IS(ekT 1)
2020/8/4
3、本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)、 和锗(Ge) ，和砷化镓(GaAs)等，它们的最外层 电子（价电子）都是四个。
Байду номын сангаас
硅原子结构示意图
2020/8/4
锗原子
硅和锗的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
+4
+4
2020/8/4
共价键共 用电子对
＋4
１、物质的分类 （按导电性能）
导 体：导电性能很强，电阻率很小。
如：铁、铝、铜、银、金等。
绝缘体：即使外加很高的电压，也几乎没 有电流通过。
如：惰性气体、氦、氖等 高分子物质：橡胶、塑料、玻璃等； 陶瓷、云母等。
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间 的那些物质。
如：硅、锗及一些金属氧化物。
１.１ 半导体基础知识
重点： １、半导体的知识； ２、掺质半导体； ３、ＰＮ结的单向导电性； ４、ＰＮ结的伏安特性。
2020/8/4
一、知识回顾
１、信号 ２、电信号 ３、电子信息系统 ４、Multisim 10 软件介绍
2020/8/4
１.１ 半导体基础知识
（一）、半导体 （二）、掺杂半导体 （三）、ＰＮ结
１、Ｎ型半导体： 掺入微量五价元素： 如：磷、砷、锑等
２、Ｐ型半导体： 掺入微量三价元素： 如：硼、铝、镓等；
2020/8/4
１、N型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,
形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素
Si
Si
pS+i
Si
多
掺杂后自由电子数目
余 大量增加，自由电子导电
＋4
＋4
价
电
＋4
子
共
＋4
＋4
＋4
价
键
图1–1 硅和锗简化原子
结构模型
＋4
＋4
＋4
2020/8/4
图 1 – 2 本征半导体共价键晶体结构示意图
共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其 中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然 在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1-３所 示。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
2020/8/4
硅原子 空穴
P型半导体 Si Si
硼原子
B
Si
P型硅表示
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且 可以移动
2020/8/4
P型半导体
在本征半导体中, 掺入微量３价元素, 如硼、镓、铟等, 则 原来晶格中的某些硅 (锗)原子被杂质原子 代替。
u
i IS (eUT 1)
kT UT q
常温下，即Ｔ=300Ｋ时，ＵＴ≈26mＶ。
2020/8/4
４、ＰＮ结的伏安特性
正向特性 反向特性 反向击穿：
齐纳击穿 雪崩击穿
2020/8/4
５、ＰＮ结的电容效应
PN结的结电容Ｃj=Ｃb+Ｃd
2020/8/4
２、半导体的独特性能
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
浓度差 多子的扩散运动
动画
形成空间电荷区
扩散的结果使空间电
动画
荷区变宽。
2020/8/4
２、ＰＮ结的单向导电性
PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负
PN 结变窄
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
动画
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。 动画
2020/8/4
PN 结加反向电压（反向偏置
）
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
+++ +++ +++
+++ +++ +++
＋4
＋4
＋4
受主 原子
＋4
＋4
＋4
空位
＋4
＋4
＋4
2020/8/4
图 1 – 5 P型半导体的共价键结构
（三）、ＰＮ结
１、ＰＮ结的形成； ２、ＰＮ结的单向导电性； ３、ＰＮ结的电流方程 ４、ＰＮ结的伏安特性 ５、ＰＮ结的电容效应；
2020/8/4
１、ＰＮ结的形成
空间电荷区也称 PN 结
少子的漂移运动
内电场越强，漂移运
动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。
P 型半导体
内电场 N 型半导体
－－－－－－ + + + + + +
扩散和漂移
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + +
这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
＋4 空穴
＋4
＋4
＋4
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
动画
图 1 – 3 本征半导体中的自由电子和空穴
2020/8/4
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
2020/8/4
（二）、掺杂半导体
如磷、砷、锑等, 则
＋4
原来晶格中的某些硅
(锗)原子被杂质原子
代替。
＋4
＋4
＋4
键外 电子
＋5
＋4
施主 原子
＋4
＋4
2020/8/4
图 1 - 4 N型半导体共价键结构
２、P 型半导体
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
动画 掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
电 成为这种半导体的主要导
子 电方式，称为电子半导体
动画 或N型半导体。
失去一个 电子变为 正离子
磷原子
在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数
载流子。
2020/8/4
硅原子 磷原子
2020/8/4
N型半导体
Si
Si
多余电子
P
Si
N型硅表示 +
N型半导体
＋4
在本征半导体中,
掺入微量５价元素,
P
IR
内电场 外电场
–+
N
P接负、N接正
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
动画
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，
反向电阻较大，PN结处于截止状态。
动画
温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
2020/8/4
３、ＰＮ结的电流方程
qu
i IS(ekT 1)
2020/8/4
3、本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)、 和锗(Ge) ，和砷化镓(GaAs)等，它们的最外层 电子（价电子）都是四个。
Байду номын сангаас
硅原子结构示意图
2020/8/4
锗原子
硅和锗的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
+4
+4
2020/8/4
共价键共 用电子对
＋4