电子技术基础-半导体知识详解

第二章 半导体二极管及应用电路
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。
硅和锗的晶体结构：
第二章 半导体二极管及应用电路
硅和锗的共价键结构
+4
+4
共价键共
用电子对 +4表示除 去价电子 后的原子
+4
第二章 半导体二极管及应用电路
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。
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2.1.4 杂质半导体
杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素 形成的半导体。分为电子（N）型半导体和空穴（P）型半导体。 1.P型半导体： 在本征Si和Ge中掺入微量Ⅲ族元素后形成的杂质半导 体称为N型半导体。所掺入Ⅲ族元素称为受主杂质，简称 受主（能接受自由电子）。下图所示（图2-2） P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。
+4
+4
共价键共
用电子对 +4表示除 去价电子 后的原子
+4 +4
硅和锗的共价键结构
第二章 半导体二极管及应用电路
2.1.3 本征半导体，空穴及其导电作用 1 .本征半导体的结构特点 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
重要物理特性：电导率 电导率与材料内单位体积中所含的电荷载流子的数目 有关。电荷载流子的浓度越高，其电导率愈高。
+4 +4
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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。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形 成晶体。
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成为自由电子， 因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导 电能力很弱。 本征激发：室温下，价电子获得足够的随机热振动能量而 摆脱共价键的束缚，成为自由电子的现象称为本征激发。
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2.本征半导体的导电原理
（1）载流子、自由电子和空穴
在绝对零度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完
全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电
粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。 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。
物质的化学性质是由价电子决定的，半导体的导电性质也 与价电子有关。
半导体具有晶体结构，原子形成有序的排列，邻近原子之
间由共价键联结。硅和锗是应用最多的半导体材料。
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
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
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（1）元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；
（2）化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等。 （3)掺杂或制成其它化合物半导体的材料，如硼（B）、磷（P）、铟 （In）、锑（Sb）等 半导体具有某些特殊性质：如压敏、热敏及掺杂特性(导电能力改变)
补充：
物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝 等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚 成为自由电子。因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运 动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质 (如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强 , 极不易摆脱原子核的束
缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。而半导体材料最外
层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘 体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。
2.1.2 半导体的共价键结构
价电子：最外层原子轨道上具有的电子。半导体材料中的
价电子数都为4。
空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。
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空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4
束缚电子
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（2）本征半导体的导电原理
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。 在其它力的作用下，空
穴吸引附近的电子来填补，
+4
+4 +4
这样的结果相当于空穴的迁 移，而空穴的迁移相当于正 电荷的移动，因此可认为空 穴是载流子。可以用空穴移 动产生的电流来代表束缚电 子移动产生的电流。
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2.N型半导体 在本征Si和Ge中掺入微量V族元 素后形成的杂质半导体称为N型半导 体。所掺入V族元素称为施主杂质， 简称施主（能供给自由电子）。 N型半导体中，电子为多子，空穴为少子。
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3.杂质半导体的载流子浓度：
少量掺杂，平衡状态下：ni2 =n0· p0 其中，ni为本征浓度，n0为自由电子浓度，p0为空穴浓度。
第二章 半导体二极管及应用电路
2 半导体二极管 及应用电路
本章意义： 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分 本章内容 2.1 半导体的基本知识 2.2 PN结的形成及特性 2.3 半导体二极管
2.4 二极管基本电路及其分析方法
2.5 特殊二极管
பைடு நூலகம்
教学内容：
本章首先简单介绍半导体的基本知识，着重讨论半 导体器件的核心环节--PN结，并重点讨论半导体二极管 的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极 管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上对齐纳二 极管、变容二极管和光电子器件的特性于应用也给予了 简要的介绍。
教学要求：
本章需要重点掌握二极管模型及其电路分 析，特别要注意器件模型的使用范围和条件。 对于半导体器件，主要着眼于在电路中的使 用，关于器件内部的物理过程只要求有一定 的了解。
第二章 半导体二极管及应用电路
2.1
半导体基础知识
2.1.1 半导体材料
其导电能力介于导体和绝缘体之间。 常用的半导体材料有：