第2讲 半导体基础知识
合集下载
半导体基础知识ppt课件
多。这样所产生的电容就是扩散
电容CD。
(1-31)
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路： rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
(1-32)
二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
(1-16)
三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
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。 近似认为多子与杂质浓度相等。
稳压二极管的应用举例
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW 10V, Izmax 20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin 5mA
负载电阻 RL 10k。要求当输入电压由正常值发
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电
(1-9)
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子 束缚电子
(1-10)
《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时代，半导体无疑是一项至关重要的技术。
但到底什么是半导体呢？简单来说，半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
导体大家都比较熟悉，像铜、铝这样电导率很高的材料就是导体，电流在其中能够轻松地流动。
而绝缘体呢，比如橡胶、塑料，它们几乎不导电。
半导体则处于这两者之间，其电导率可以通过一些方式进行调节和控制。
半导体的这种特性使得它能够在电子设备中发挥关键作用。
比如，我们日常使用的手机、电脑，里面的芯片就是由半导体材料制成的。
二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，这使得它们在电子领域具有广泛的应用。
1、热敏特性半导体的电导率会随着温度的变化而发生显著改变。
温度升高时，半导体中的载流子（电子和空穴）数量增加，电导率也随之提高。
利用这一特性，可以制作热敏电阻等温度传感器。
2、光敏特性半导体在受到光照时，其电导率也会发生变化。
这一特性被用于制作光电探测器、太阳能电池等。
3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入少量的杂质元素，可以显著改变其电导率和电学性质。
这种掺杂过程就像是给半导体“调味”，让它能够满足不同的应用需求。
三、半导体的制造工艺要将半导体材料变成实用的电子器件，需要经过一系列复杂而精细的制造工艺。
1、晶圆制备首先，需要制备出高纯度的半导体晶圆。
通常是从硅矿石中提炼出硅，然后通过一系列的提纯和结晶工艺，制成单晶硅晶圆。
2、光刻这是半导体制造中非常关键的一步。
通过光刻技术，可以在晶圆表面涂上光刻胶，然后用紫外线透过掩膜版照射，使光刻胶发生化学反应，从而在晶圆表面形成所需的图案。
3、刻蚀在光刻形成图案后，使用化学或物理方法对晶圆进行刻蚀，去除不需要的部分，留下所需的半导体结构。
4、掺杂如前所述，通过掺杂来改变半导体的电学性质。
5、薄膜沉积在晶圆表面沉积各种薄膜，如绝缘层、金属层等。
6、封装测试完成制造后，对芯片进行封装，以保护芯片并提供电气连接，然后进行测试，确保其性能符合要求。
第二讲-半导体基础知识
元素周期表
§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
§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
20-半导体基础知识PPT模板
电工电子技术
半导体之所以被作为制造电子器件的主要材料在于它 具有热敏性、光敏性和掺杂性。
热敏性：是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅 速增加的特性。利用这种特性可制成各种热敏元件，如热 敏电阻等。
光敏性：是指半导体的导电能力随光照的变化有显著 改变的特性。利用这种特性可制成光电二极管、光电.1 半导体的基本特性
根据导电性能的不同，自然界的物质大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。其中，容易导电、电阻率小于 10-4Ω·cm的物质称为导体，如铜、铝、银等金属材料；很难 导电、电阻率大于104Ω·cm的物质称为绝缘体，如塑料、橡 胶、陶瓷等材料；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物 等。
（2）反向偏置
给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源 负极，称PN结反向偏置，如下图所示。
由于外加电场与内电场的 方向一致，因而加强了内电场， 促进了少子的漂移运动，阻碍 了多子的扩散运动，使空间电 荷区变宽。此时，主要由少子 的漂移运动形成的漂移电流将 超过扩散电流，方向由N区指向 P区，称为反向电流。由于常温 下少子的数量很少，所以反向 电流很小。此时，PN结处于截 止状态。
（2）P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼，由 于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时， 因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易 填补这个空穴，形成新的空穴。这种半导体导电主要靠空 穴，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如下图所示。P 型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。
2．PN结的单向导电性
（1）正向偏置
给PN结外加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电 源负极，称PN结为正向偏置，如下图所示。
半导体的基本知识77509 PPT资料共92页
的扩散受抑制。少子漂
移加强，但少子数量有
限，只能形成较小的反
向电流。
+
N
内电场
外电场
R
E
(1-24)
2.1.3 半导体二极管
一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
点接触型
触丝线
PN结
引线 外壳线
基片
二极管的电路符号： PFra bibliotek面接触型
N
(1-25)
二、伏安特性
I
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
在本征半导体中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。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
(1-12)
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。
(1-10)
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
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。
(1-11)
1.1.3 杂质半导体
i
iL
半导体基础知识(48)PPT课件
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！
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
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
5
PN结加正向电压时导通【可参考教材P15图2-5】 多子空穴 变薄
+ + + 多子电子 + +
PN结加正向电压时导通【可参考教材P15图2-5】 变薄
－ － － － － + + + + +
－ － － － －
＋
I：扩散电流 + + + + + － － － － － P区 N区
－ － － － － + + + + +
三.PN结的电流方程及V-I特性
三.PN结的电流方程及V-I特性
i = IS (e
＋ IR －
UBR
u
UT
−1 )
－ ＋
v 当加正向电压时： u为正值，表达式 等效成 ：
u
i = IS (e
＋ IR －
UBR
u
UT
−1 )
－ ＋
v PN结的反向击穿： 反向击穿 电击穿 可逆
i/mA
i/mA
i=IS e
2.2 PN结及其特性
一. PN结的形成
耗尽层
PN结
势垒区
阻挡层
-
+
V0 （电位势垒）
【见教材P15图2-4(a)】
返回
【见教材P15图2-4(b)】
4
耗尽层
PN结
由上可知，PN结中进行着两种载流子的运动： 势垒区 阻挡层 v 多数载流子的扩散运动
P区空穴→N区 N区电子→P区 N区空穴→P区 P区电子→N区
IF
UT
指数 关系 反向击穿电压
i=-IS u/V
(μ A)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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！
三、PN结的形成及其单向导电性
• 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作 在同一块硅片上，在它们的交界面上就形成PN结。PN 结具有单向导电性。
• 1、PN结的形成
• (1)扩散运动的形成：物质总是从浓度高的地方向浓度 低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩 散运动。
• (2)内电场的建立：当把P型半导体和N型半导体制作在 一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大， 因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由 电子也必然向P区扩散。由于扩散到P区的自由电子与 空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以 在交界面附近多子的浓度下降， P区出现负离子区，N 区出现正离子区，他们是不能移动的，称为空间电荷 区，从而形成电场。
• 在常温下，即T=300K时，硅材料的本征半导体
载流子的浓度为:ni=pi=1.43*1010cm-3; • 锗材料本征半导体载流子的浓度为:
ni=pi=2.38*1013cm-3. • 应当指出，本征半导体的导电性能很差，且与
环境温度密切相关。
二、杂质半导体
1. N型半导体
5
•通过扩散工艺，在本征半导体中掺入 少量合适的杂质元素，便可以得到杂 质半导体。
在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的， 即自由电子与空穴数目相等，如图1.1.2所示
（3）凡能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。故自由电子和 空穴均为载流子；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。
u
外随u加按正指向数电规压律，变且化时；，当u>PUNT结时外，加反向i 电 压ISe-IS 。其中u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反
向特性。
• 2.PN结的伏安特性的形状;
• 3.PN伏安特性曲线说明: • (1)正向特性:正向导通 • (2)死区电压及大小：硅管0.5V；锗管0.1V。 • (3)反向特性:反偏截止,注意有弱小电流通过 • (4)反向击穿
教学要求
• 1.掌握半导体的基本特征和PN的形成和特点. • 2.掌握普通二极管和稳压管的外特性和主要参
数，正确理解PN结的单向导电性。了解其它类 型二极管 • 3.掌握晶体管的外特性和主要参数，理解晶体 管的工作原理，了解光电三极管。 • 4.掌握场效应管的外特性和主要参数，理解场 效应管的工作原理。 • 5.理解单结晶体管和晶闸管的相关知识 • 6.理解集成电路中元件。
PN结的形成
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。
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。
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
（1.1.2）
• 式中， Is为反向饱和电流，q 为电子的电量，k 为玻
耳茲曼常数，T 为热力学温度。将式（1.1.2）中的
kT/q 用UT 取代，称为电压当量则得
u
•
i IS (eUT 1)
（1.13）
• 常温下，即T＝300K 时， UT ≈26 mV。
PN结的伏安特性
• 1.PN结的伏安特性的定义：由式（1.1.3）可知，当PN结
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，
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。
PN结的电流方程
• 由理论分析可知，PN结所加端电压u与流过它的电流i的
关系为
qu
•
i I S (e kT 1)
• 随着扩散运动的形成，空间电荷区加宽，内电场增强， 其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。
• (3)漂移的形成：在电场力的作用下，载流子的运动称 为漂移运动。当空间电荷区形成以后，在内电场作用 下，少子产生漂移运动，空穴从N区向P区运动，而自 由电子从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用 下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少 子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。此时，空间 电荷区具有一定的宽度，电位差为Uho，电流为零。
• (4) PN 结的形成：是一个空间电荷区，是一曾非常薄 的膜，约为几微米至几十微米。其形成过程见图1.1.5
• (5) PN 结分对称和不对称两种
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液 体、固体均有之。
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。
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。
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，这种现象成为复合。
（2）环境温度影响载流子的浓度
• 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子和空穴
对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达到动
态平衡，即本征半导体中载流子的浓度是一定的，是
n p K T e 温度的函数。 ii
3 / 2 EGO /(2kt) 1
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？
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）
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？
无杂质 稳定的结构
2、本征半导体的晶体结构
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
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。
3、本征半导体中的两种载流子
• （1）自由电子 • 晶体中的共价键具有很强的结合力，因此，在常温下，
仅有极少数的价电子由于热运动（热激发）获得足够 的能量，从而挣脱共价键的束缚变为自由电子。 • （2）空穴 • 与此同时，在共价键中流下一个空位置，成为空穴。 原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。
热力学温度0K时不导电。
载流子
本征半导体中有两种载流子，既自由电子和空穴均参与 导电，这是半导体导电的特殊性质。 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
为实现载流子 （空穴、自由电子）的控制，构成杂质半导体。
4、本征半导体载流子的浓度
（1）本征激发：半导体在热激发产生自由电子和空穴
的现象称为本征激发。
第二讲 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 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。
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！
三、PN结的形成及其单向导电性
• 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作 在同一块硅片上，在它们的交界面上就形成PN结。PN 结具有单向导电性。
• 1、PN结的形成
• (1)扩散运动的形成：物质总是从浓度高的地方向浓度 低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩 散运动。
• (2)内电场的建立：当把P型半导体和N型半导体制作在 一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大， 因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由 电子也必然向P区扩散。由于扩散到P区的自由电子与 空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以 在交界面附近多子的浓度下降， P区出现负离子区，N 区出现正离子区，他们是不能移动的，称为空间电荷 区，从而形成电场。
• 在常温下，即T=300K时，硅材料的本征半导体
载流子的浓度为:ni=pi=1.43*1010cm-3; • 锗材料本征半导体载流子的浓度为:
ni=pi=2.38*1013cm-3. • 应当指出，本征半导体的导电性能很差，且与
环境温度密切相关。
二、杂质半导体
1. N型半导体
5
•通过扩散工艺，在本征半导体中掺入 少量合适的杂质元素，便可以得到杂 质半导体。
在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的， 即自由电子与空穴数目相等，如图1.1.2所示
（3）凡能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。故自由电子和 空穴均为载流子；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。
u
外随u加按正指向数电规压律，变且化时；，当u>PUNT结时外，加反向i 电 压ISe-IS 。其中u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反
向特性。
• 2.PN结的伏安特性的形状;
• 3.PN伏安特性曲线说明: • (1)正向特性:正向导通 • (2)死区电压及大小：硅管0.5V；锗管0.1V。 • (3)反向特性:反偏截止,注意有弱小电流通过 • (4)反向击穿
教学要求
• 1.掌握半导体的基本特征和PN的形成和特点. • 2.掌握普通二极管和稳压管的外特性和主要参
数，正确理解PN结的单向导电性。了解其它类 型二极管 • 3.掌握晶体管的外特性和主要参数，理解晶体 管的工作原理，了解光电三极管。 • 4.掌握场效应管的外特性和主要参数，理解场 效应管的工作原理。 • 5.理解单结晶体管和晶闸管的相关知识 • 6.理解集成电路中元件。
PN结的形成
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。
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。
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
（1.1.2）
• 式中， Is为反向饱和电流，q 为电子的电量，k 为玻
耳茲曼常数，T 为热力学温度。将式（1.1.2）中的
kT/q 用UT 取代，称为电压当量则得
u
•
i IS (eUT 1)
（1.13）
• 常温下，即T＝300K 时， UT ≈26 mV。
PN结的伏安特性
• 1.PN结的伏安特性的定义：由式（1.1.3）可知，当PN结
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，
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。
PN结的电流方程
• 由理论分析可知，PN结所加端电压u与流过它的电流i的
关系为
qu
•
i I S (e kT 1)
• 随着扩散运动的形成，空间电荷区加宽，内电场增强， 其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。
• (3)漂移的形成：在电场力的作用下，载流子的运动称 为漂移运动。当空间电荷区形成以后，在内电场作用 下，少子产生漂移运动，空穴从N区向P区运动，而自 由电子从P区向N区运动。在无外电场和其它激发作用 下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少 子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。此时，空间 电荷区具有一定的宽度，电位差为Uho，电流为零。
• (4) PN 结的形成：是一个空间电荷区，是一曾非常薄 的膜，约为几微米至几十微米。其形成过程见图1.1.5
• (5) PN 结分对称和不对称两种
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液 体、固体均有之。
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。
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。
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，这种现象成为复合。
（2）环境温度影响载流子的浓度
• 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子和空穴
对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达到动
态平衡，即本征半导体中载流子的浓度是一定的，是
n p K T e 温度的函数。 ii
3 / 2 EGO /(2kt) 1
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？
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）
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？
无杂质 稳定的结构
2、本征半导体的晶体结构
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
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。
3、本征半导体中的两种载流子
• （1）自由电子 • 晶体中的共价键具有很强的结合力，因此，在常温下，
仅有极少数的价电子由于热运动（热激发）获得足够 的能量，从而挣脱共价键的束缚变为自由电子。 • （2）空穴 • 与此同时，在共价键中流下一个空位置，成为空穴。 原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。
热力学温度0K时不导电。
载流子
本征半导体中有两种载流子，既自由电子和空穴均参与 导电，这是半导体导电的特殊性质。 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
为实现载流子 （空穴、自由电子）的控制，构成杂质半导体。
4、本征半导体载流子的浓度
（1）本征激发：半导体在热激发产生自由电子和空穴
的现象称为本征激发。
第二讲 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 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。