11 半导体的基础知识

1.1 半导体的基础知识

1.1.1 本征半导体

1.1.2 杂质半导体

1.1.3 PN结及其单向导电性

1.1.1 本征半导体

一、何谓半导体和本征半导体

半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质

常用：硅 Si、锗 Ge、砷化镓 GaAs 本征半导体—纯净的具有晶体结构的半导体

硅(锗)的原子结构模型

表示四价元素原子核和

内层电子所具有的净电荷

硅(锗)的晶格结构示意图

硅(锗)的晶格结构示意图

⏹共价键

⏹本征激发，成对产生自由电子和空穴

⏹有两种载流子导电：空穴带正电，电子带负电

⏹复合

⏹动态平衡

⏹温度一定时，自由电子-

空穴对的浓度一定。温

度升高或受光照时，载

流子浓度增大

⏹常温下导电性能差

1.1.2 杂质半导体

掺杂后的半导体称为杂质半导体

其导电能力大大增强，导电性能得到改善。

掺入五价杂质元素（如磷、砷、锑）→N型半导体掺入三价杂质元素（如硼、铝、铟）→P型半导体

一、N 型半导体的结构及导电机理 晶格结构

⏹杂质离子不是载流子。

⏹多子：自由电子；少子：空穴。 ⏹整个半导体呈电中性。 电结构

二、P 型半导体的结构及导电机理

晶格结构

电结构

⏹多子：空穴；少子：自由电子。

⏹整个半导体呈电中性。杂质离子不是载流子。

三、杂质半导体的导电性能

杂质半导体导电性能主要取决于多子浓度。

多子浓度主要由掺杂浓度决定，其值较大且稳定，故杂质半导体导电性能得到显著改善。

少子对杂质半导体导电性能也有影响，由于少子由本征激发产生，其大小随温度升高和光照而增大，故半导体器件对温度、光照敏感，在应用中要注意温度、光照对半导体器件及其电路性能的影响。

一、何谓PN 结

PN 结

二、PN 结的形成

内电场阻碍扩散运动 促进漂移运动

扩散运动

载流子的扩散运动

一、何谓PN 结

空间电荷区 内电场

空间电荷区及其内电场 达到动态平衡，形成PN 结

二、PN 结的形成 续

动态平衡时的PN 结中的 载流子运动及电流

⏹动态平衡时：扩散电流

等于漂移电流，流过PN

结的总电流为零。空间

电荷区宽度一定，内电

场强度一定。

⏹接触电位差（或内建电

位差）的大小与半导体

材料、掺杂浓度和温度

有关。

三、PN 结的单向导电性

加在PN结上的电压称为偏置电压。

若P区接电位高端、N区接电位低端，则称PN结外接正向电压或正向偏置，简称正偏。

反之，若P区接电位低端、N区接电位高端，则称PN结外接反向电压或反向偏置，简称反偏。

PN结正偏时导通，呈现很小的结电阻，产生较大的正向电流；反偏时截止，呈现很大的结电阻，反向电流近似为零。这种单方向导通特性称为单向导电性。

PN 结为何具有单向导电性？

正向电流 I F ≈ I 扩散 大 正偏时导通

反向饱和电流 I R = I 少子漂移 很小≈ 0

反偏时截止 请留意

正、反偏的接法

四、PN 结伏安特性表达式

式中 )1(e

T /S -=U u I i I S ——反向饱和电流 U T ——温度电压当量 常温下（T =300K ）: U T = 26mV q kT U =T i

P 区 ＋

_ u P N

玻尔兹曼常数

电子电荷量

1.1 复习要点

主要要求：

1.了解本征半导体和杂质半导体的导电机理，掌握重要

概念，理解半导体器件的性能受温度影响的原因。

2. 了解PN结的形成，掌握PN结的单向导电特性。

重点：

自由电子与空穴、N型半导体与P型半导体、多子

与少子、扩散运动与漂移运动、PN结、PN结的

正偏与反偏、PN结的单向导电性等概念。