半导体元器件基础

子作定向漂移运动形成的电流，称为漂
移电流。它类似于金属导体中的传导电
流。

半导体中有两种载流子——电子和空穴，
当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，
形成电子电流In ，而空穴顺电场方向作定向运 动，形成空穴电流Ip 。虽然它们运动的方向相 反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向
相反，所以In和Ip的方向是一致的，均为空穴流 动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之
UT几倍以上，i≈Iseu/U-T，即i随u呈指数规律变 化；加反向电压时，|u|只要大于UT几倍以上， 则 i≈―IS( 负 号 表 示 与 正 向 参 考 电 流 方 向相
反)。因此，式(1―4)的结果与上述的结论完
全一致。由式(1―4)可画出PN结的伏安特性曲
线，如图1―11所示。图中还画出了反向电压

i=IS(equ/kT-1)=IS (eu /UT −1)
(1―4)
式中， IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、 制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当
量或热电压。在T=300K(室温)时，
UT =26mV。这是一个今后常用的参数。

由式(1―4)可知，加正向电压时，u只要大于
＋4 空穴
＋4
＋4
自由电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
图1―3本征激发产生电子和空穴
本征激发
在本征半导体中，由于热激发，不断地产生电子、 空穴对，使载流子浓度增加。
复合
由于正负电荷相吸引，因而，会使电子和空穴在运动 过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，同时释 放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴。
1―2―4PN结的电容特性

PN结具有电容效应，它由势垒电容和
扩散电容两部分组成。

一、势垒电容

从PN结的结构看，在导电性能较好的P
区和N区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与
平板电容器相似。当外加电压增大时，多子被
推向耗尽区，使正、负离子减少，相当于存贮
的电荷量减少；当外加电压减小时，多子被推
1―3―1二极管特性曲线

普通二极管的典型伏安特性曲线
如图1―14所示。实际二极管由于引线的
接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏
电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安
特性略有差异。由图可以看出，实际二
极管的伏安特性有如下特点。
i/mA
30
20
10
－0.5 0
－5
0.5
u/V
－10
(μA)
图1―14 二极管伏安特性曲线
1―2―1 PN结的形成

P型半导体和N型半导体有机地
结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N
区一侧电子多，所以在它们的界面处存 在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空 穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。 而N区中的电子也会向P区扩散，并在P 区被空穴复合。这样在P区和N区分别留
下了不能移动的受主负离子和施主正离 子。上述过程如图1―7(a)所示。结果在
硅原子，它的三个价电子和相邻的四个
硅原子组成共价键时，只有三个共价键
是完整的，第四个共价键因缺少一个价
电子而出现一个空位，如图1--5所示。
＋4
＋4
＋4
空位
＋4
＋3
＋4
受主
原子
＋4
＋4
＋4
图1―5 P型半导体原子结构示意图
杂质半导体的载流子浓度
杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不 同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡 下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少 子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni 的平方。即对N型半导体，多子nn与少子pn 有
大到一定值时，反向电流突然增大的情况。
1―2―3 PN结的击穿特性

由图1―11看出，当反向电压超
过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增 大 ， 这 种 现 象 称 为 PN 结 击 穿 ， 并 定 义
UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向 击穿的机理可以分为两种。
i T
－UBR
0
u
T
图1―11 PN结的伏安特性

使P区电位低于N区电位的接法，称PN
结加反向电压或反向偏置(简称反偏)。由于反
向电压与UB的极性一致，因而耗尽区两端的电 位差变为UB+U，如图1―10所示。
耗尽区
wk.baidu.com
内电场
－
＋
U
UB＋U
E
R
图1―10反向偏置的PN结
三、PN结电流方程

理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电
压u之间的关系为
某些硅原子，它的四个价电子和周围四
个硅原子组成共价键，而多出一个价电
子只能位于共价键之外，如图1―4所 示。
＋4
＋4
＋4
键外 电子
＋4
＋5
＋4
施主
原子
＋4
＋4
＋4
图1―4N型半导体原子结构示意图
P型半导体

在本征硅(或锗)中掺入少量的三价
元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导
体。这时杂质原子替代了晶格中的某些
＋4
＋4
＋4
价
电 子
共 价
＋4
＋4
＋4
键
＋4
＋4
＋4
图1―2单晶硅和锗的共价键结构示意图
半导体中的载流子——自由电子和空穴
在绝对零度(-273℃)时，所有价电子都被束缚在共 价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导 电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能 量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱 共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时 在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，如 图1―3所示。
(b)
图1―8不对称PN结
1―2―2 PN结的单向导电特性
一、PN结加正向电压
使P区电位高于N区电位的接法，称 PN 结 加 正 向 电 压 或 正 向 偏 置 ( 简 称 正 偏)，如图1--9所
耗尽区
＋
内电场
－
U
UB－U
E
R
图1―9 正向偏置的PN结
二、PN结加反向电压
也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷
的增加量ΔQp。这种外加电压改变引起扩散区 内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称
为扩散电容，用CD表示。

如果 Δu，则
引 起 ΔQn,Δ
Qp 的 电 压 变 化 量 为
CD
=
ΔQ Δu
=
ΔQn Δu
+
ΔQp Δu
对PN+结，可以忽略ΔQp/Δu项。经理论分析可得
本征载流子浓度
在一定温度下，当没有其它能量存在时，电 子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡 状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论 分析表明，本征载流子的浓度为
ni
=
pi
=
A T e 3/ 2 − EG0 / 2kT 0
式中ni,pi分别表示电子和空穴的浓度(cm–3 )；T为热力学温 度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV,锗为0.78eV)；k为 玻(硅尔为兹3.曼87常×数10(186c.m6-33·×K-130/2–，6 锗V/为K)1；.7A60是×与101半6c导m-3体·K材-3/料2)。有关的常数
一、雪崩击穿

在 轻 掺 杂 的 PN 结 中 ， 当 外 加 反
向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过
耗尽区时被加速，动能增大。当反向电
压大到一定值时，在耗尽区内被加速而
获得高能的少子，会与中性原子的价电
子相碰撞，将其撞出共价键，产生电
子、空穴对。新产生的电子、空穴被强
电场加速后，又会撞出新的电子、空穴
CD
≈
ΔQn Δu
≈ τnI
UT
(1―6)
1―3 半导体二极管

晶体二极管是由PN结加上电极引
线和管壳构成的，其结构示意图和电路
符 号 分 别 如 图 1 - - 1 3 ( a),(b) 所 示 。 符 号
中，接到P型区的引线称为正极(或阳
极)，接到N型区的引线称为负极(或阴
极)。

利用PN结的特性，可以制作多种
不同功能的晶体二极管，例如普通二极
管、稳压二极管、变容二极管、光电二
极管等。其中，具有单向导电特性的普
通二极管应用最广。本节主要讨论普通
二极管及其基本应用电路。另外，简要
介绍稳压二极管及其稳压电路。
正极
负极
PN
(a)
正极
负极
(b)
图1―13 晶体二极管结构示意图及电路符号 (a)结构示意图；(b)电路符号
nn = pn = ni2
pn
=
ni2 nn
≈
ni2 ND
对P型半导体，多子pp与少子np有
pp ⋅ np = ni2
np
=
ni2 pp
≈
ni2 NA
(1―2a) (1―2b)
(1―3a) (1―3b)
半导体中的电流
在半导体中有两种电流。
一、漂移电流

在电场作用下，半导体中的载流
间。

二、扩散电容

正 向 偏 置 的 PN 结 ， 由 于 多 子 扩
散，会形成一种特殊形式的电容效应。 下面利用图1--12中P区一侧载流子的浓 度分布曲线来说明。
N耗 尽
区区
P区
0
np
x
②
np(0)
Δ Qn ①
n p0
0
x
Ln
图1―12 P区少子浓度分布曲线

同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度
1―3―1二极管特性曲线

普通二极管的典型伏安特性曲线
如图1―14所示。实际二极管由于引线的
杂质半导体

在本征半导体中，有选择地掺入
少量其它元素，会使其导电性能发生显
著变化。这些少量元素统称为杂质。掺
入杂质的半导体称为杂质半导体。根据
掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半
导体两种。
N型半导体

在本征硅(或锗)中掺入少量的五
价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半
导体。这时，杂质原子替代了晶格中的
离耗尽区，使正、负离子增多，相当于存贮的 电荷量增加。

因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加
电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，
并称为势垒电容，用CT表示。经推导，CT可表 示为
CT
=
dQ du
=
CT 0 (1 − u
)n
UB
(1―5)
式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结 的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；n为 变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/3~6之
界面的两侧形成了由等量正、负离子组 成的空间电荷区，如图1―7(b)所示。
空间电荷区
P
N
P
N
(a)
内电场
UB
(b)
图1―7PN结的形成

由于空间电荷区内没有载流子，所以
空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电
荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒
一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。

实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相
和，即

I=In+Ip

漂移电流的大小将由半导体中载流子浓
度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。
二、扩散电流

在半导体中，因某种原因使载流
子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓
度大的地方向浓度小的地方作扩散运
动，从而形成扩散电流。

半导体中某处的扩散电流主要取
决于该处载流子的浓度差(即浓度梯度)。
对。
二、齐纳击穿

在 重 掺 杂 的 PN 结 中 ， 耗 尽 区 很
窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区
内形成很强的电场。当反向电压大到一
定值时，强电场足以将耗尽区内中性原
子的价电子直接拉出共价键，产生大量
电子、空穴对，使反向电流急剧增大。
这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。 一 般 来 说 ， 对 硅 材 料 的 PN 结 ， UBR>7V 时 为 雪 崩 击 穿 ； UBR <5V 时 为 齐 纳 击 穿； UBR介于5~7V时，两种击穿都有。
浓度差越大，扩散电流越大，而与该处
的浓度值无关。反映在浓度分布曲线上
(见图1―6)，即扩散电流正比于浓度分布 线上某点处的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。
0
x
n(x)[p(x)]
n(0)
n0
0
x
图1―6半导体中载流子的浓度分布
1―2 PN结及其特性
通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做 成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样 在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物 理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件 的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就 是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性 实际上就是讨论晶体二极管的特性。
同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，
见 图 1 ― 7 ( b)。 如 果 一 边 掺 杂 浓 度 大 ( 重 掺
杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对
称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。
这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图1--
8(a),(b)所示。
耗尽区
P＋
N
耗尽区
P
N＋
(a)
第1章 半导体元器件基础
1―1 1―2 1―3 1―4
半导体物理基础知识 PN结及其特性 半导体二极管 双极型晶体管
1―1 半导体物理基础知识
本征半导体
原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶 格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子 核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价 电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个 价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共 价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一 起。