第六章半导体 共19页
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半导体器件物理(第六章)_93140777
半导体器件物理进展第六章其它特殊半导体器件简介Introduction to other Special Semiconductor Devices本章内容提要：LDMOS、VDMOS等高压功率器件 IGBT功率器件简介SOI器件与集成电路电荷耦合器件的原理与应用1. LDMOS、VDMOS功率器件（1）MOSFET作为功率器件的优势：MOSFET为多子（多数载流子）器件，电流温度系数为负值（由迁移率随温度的变化引起），不会发生双极型功率器件的二次击穿现象（由Iceo，β随温度的升高而引起）；没有少子（少数载流子）的存贮效应，开关响应速度较快；栅极输入阻抗较高，所需的控制功率较小；具有一定的功率输出能力，可与控制电路集成在一起，形成Smart Power IC，例如LCD显示器的高压驱动电路（Driver）。
（2）MOSFET的击穿特性：（A）导通前的击穿：源漏穿通：早期的解释：随着源漏电压增大，→源漏耗尽区不断展宽，直至相碰到一起，→导致发生源漏穿通效应（这里仍然采用的是平面PN结耗尽区的概念，尽管可能不是十分准确）；目前的理解：由于DIBL效应引起的源漏穿通，与器件的沟道长度及沟道掺杂分布有关，其特点是（与PN结的击穿特性相比）击穿特性的发生不是非常急剧，换句话说，器件的击穿特性不是十分陡直的硬击穿，而是比较平缓的软击穿特性。
漏端PN结击穿：比单纯的非MOSFET漏区的PN结击穿电压要低（原因：受场区离子注入、沟道区调开启离子注入等因素的影响），由于侧向双极型晶体管的放大作用，使得BV PN 有所下降（类似BV CEO 小于BV CBO ），不同点在于MOS器件的衬底（相当于BJT器件的基区）不是悬空的，而是接地（只是接地电阻可能偏大），这种击穿特性的特点是雪崩电流的发生比较急剧，发生雪崩效应之前的反向电流也很小。
（B ）导通后的击穿：主要是由于侧向双极型晶体管效应所导致，特别是由于器件衬底电流的影响，将使源衬PN 结出现正偏现象，致使侧向双极型晶体管效应更为严重。
半导体物理第6章
非平衡载流子的电注入
在一定的正向偏压下，单位时间内从n区来到pp’处的非 平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的 分布。
在pp’处有一不变的向p区内部流动的电子扩散流。
同理，在边界nn’处也有一不变的向n区内部流动的空穴 扩散流。
当增大偏压时，势垒降得更低，增大了流入p区的电子 流和流入n区的空穴流
，
qVD E Fn E Fp
对于非简并半导体，n区和p区的平衡电子浓度
nn 0 E Fn Ei ni exp( ) k 0T
n p 0 ni exp( E Fp E i k 0T )
两式相除取对数得
nn 0 1 ln ( E Fn E Fp ) n p 0 k 0T
x
p
n
线性缓变结 N D N A j ( x x j ), j 杂质浓度梯度
6.1.2 空间电荷区
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运 动方式。 载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动. 在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因 为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度 低的区域运动，这种运动称为扩散运动。
p(x)
n(x) p n x
nno pno
npo
平衡p-n结中载流子的分布
利用上述公式计算电势能比n区导带底高0.1eV 的点x处的载流子浓度，假设势垒高度为0.7eV， 则
n( x ) n n 0 e
0.1 0.026
ND 50
0.6
qV ( x) qVD qV ( x) p( x) p n 0 exp( ) p p 0 exp( ) p p 0 e 0.026 10 10 N A k 0T k 0T
第六章 半导体技术
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）半导体中的载流子 4、共价键中的价电子由于不能自由移动，不能参与 导电，价电子不是载流子。 5、价电子游离出来后，在共价键中 空穴 自由电子 留下一个空格，称该其为空穴。 空穴带一个单位正电荷（即空穴带正 +Si Si 电）。 Si Si 6、在电场的作用下，邻近共价键中 的价电子游离出来填补这个空穴， 价电子 从而在邻近形成新的空穴，这相当于 空穴在移动，空穴也是一种载流子。
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）PN结的形成及导电特性 四）PN结的形成及导电特性 1、有了P型半导体和N型半导体，为什么还需要PN 、有了P型半导体和N型半导体，为什么还需要PN 结？ 2、在分析PN结的过程中需要了解的几个基本概念： 、在分析PN结的过程中需要了解的几个基本概念： 扩散、空间电荷区、内电场、漂移、扩散与漂移 达到的动态平衡。
Si Si Si
四）半导体中的载流子 1、载流子：半导体中的一种导电粒子， 它能参与导电。
Si
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）半导体中的载流子 2、在0K（-273℃）时，本征半导体内没有可自由移 、在0K（ 273℃ 动的导电粒子，它是不能导电的。 3、如果本征半导体受到能量的激发（加热或光照 射），某些共价键中的价电子因获得能量，从而 脱离原子核的吸引，从共价键中游离出来成为自 由电子（这类自由电子能自由移动，能参与导电， 称为载流子），这时本征半导体就具备了导电的 能力（因为它内部有了载流子）。这时给本征半 导体加上电场，在电场的作用下，载流子作定向 运动就形成了电流，我们说半导体导电了。
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
第6章半导体存储器
（a）
图6-8
（b）
3．快闪存储器(Flash Memory)
而且浮置栅一源区间的电容要比浮置栅一控制栅间的电容小得多 。 当控制栅和源极间加上电压时,大部分电压都将降在浮置栅与源极 之间的电容上。 快闪存储器的存储单元就是用这样一只单管组成的，如图6-8(b)所 示。
（a）
图6-8
（b）
半导体存储器的技术指标
存取容量：表示存储器存放二进制信息的多少。二值 信息以字的形式出现。一个字包含若干位。一个字的 位数称做字长。
例如，16位构成一个字，那么该字的字长为16位。一个存储 单元只能存放一个一位二值代码，即只能存一个0或者一个1。 这样，要存储字长为16的一个字，就需要16个存储单元。若 存储器能够存储1024个字，就得有1024×16个存储单元。 通常，用存储器的存储单元个数表示存储器的存储容量，即 存储容量表示存储器存放二进制信息的多少。存储容量应表 示为字数乘以位数。 例如，某存储器能存储1024个字 ，每个字4位，那它的存储容 量就为1024×4=4096，即该存储器有4096个存储单元。 存储器写入（存）或者读出（取）时，每次只能写入或读出 一个字。若字长为8位，每次必须选中8个存储单元。 选中哪些存储单元，由地址译码器的输出来决定。即由地址 码来决定。地址码的位数n与字数之间存在2n=字数的关系。 如果某存储器有十个地址输入端，那它就能存210=1024个字。
[例6-1]
[例6-1]
根据表6-2可以写出Y的表达式： Y7=∑（12，13，14，15） Y6=∑（8，9，10，11，14，15） Y5=∑（6，7，10，11，13，15） Y4=∑（4，5，7，9，11，12） Y3=∑（3，5，11，13） Y2=∑（2，6，10，14） Y1=0 Y0=∑（1，3，5，7，9，11，13，15 ） 根据上述表达式可画出ROM存储点阵如图6-9所示。
半导体光电子学第6章 半导体发光二极管
用于光纤通信的发光二极管从材料到器件的异质结构 都与半导体激光器没有很大差别，因而前面1～3章的 一些基本理论对半导体发光二极管也是适用的。
半导体激光器与发光二极管在结构上的主要差别是前 者有光学谐振腔，使复合所产生的光子在腔内振荡和 放大；而后者则没有谐振腔。
正是由于它们在发光机理和上述这一基本结构上存在 差别，而使它们在主要性能上存在明显差别。
光谱宽度随有源层厚度的增 加而减小可归因于能为载流 子所填充的能带变窄。
面发光二极管的光谱宽度较宽。例如， 在高的注入电流下中心波长为1.3m 的面发光管，其Δ可达1300Å。但 它对温度不灵敏、高可靠性和低成本 等优点，却是光纤通信局部网(LAN) 中波分复用(WDM)光源所希望的。
然而，如此宽的谱宽限制了在保证邻 近信道之间有小的串音的前提下所能 供复用的波长数量。
防止发光管产生受激发射的另一种有效方法是将后端面弄斜， 以破坏由解理面形成的法布里-拍罗腔，如图6.2-2所示。其 基本结构与V沟衬底埋层异质结激光器相同，前端面镀增透 膜，后端面腐蚀成斜面。这种结构的特点是更能可靠地防止 受激发射，与前面采取非泵浦区结构的边发光管相比，更能 利用有源层的长度来产生自发辐射，获得较高输出功率。
1．不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现信 号无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的；
2．虽然半导体发光二极管的光相干性很不好，但正因 为如此，避免了半导体激光器容易产生模分配噪声和 对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点； 3．工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需要精 确的温度控制，因而驱动电源很简单；
三、发光二极管的发射谱
半导体发光二极管的自发发射的特点决定了它的发射光 谱是很宽的，要比半导体激光器的线宽高几个数量级。 而且光谱宽度Δ与峰值波长有关，可表示为
半导体激光器与发光二极管在结构上的主要差别是前 者有光学谐振腔，使复合所产生的光子在腔内振荡和 放大；而后者则没有谐振腔。
正是由于它们在发光机理和上述这一基本结构上存在 差别，而使它们在主要性能上存在明显差别。
光谱宽度随有源层厚度的增 加而减小可归因于能为载流 子所填充的能带变窄。
面发光二极管的光谱宽度较宽。例如， 在高的注入电流下中心波长为1.3m 的面发光管，其Δ可达1300Å。但 它对温度不灵敏、高可靠性和低成本 等优点，却是光纤通信局部网(LAN) 中波分复用(WDM)光源所希望的。
然而，如此宽的谱宽限制了在保证邻 近信道之间有小的串音的前提下所能 供复用的波长数量。
防止发光管产生受激发射的另一种有效方法是将后端面弄斜， 以破坏由解理面形成的法布里-拍罗腔，如图6.2-2所示。其 基本结构与V沟衬底埋层异质结激光器相同，前端面镀增透 膜，后端面腐蚀成斜面。这种结构的特点是更能可靠地防止 受激发射，与前面采取非泵浦区结构的边发光管相比，更能 利用有源层的长度来产生自发辐射，获得较高输出功率。
1．不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现信 号无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的；
2．虽然半导体发光二极管的光相干性很不好，但正因 为如此，避免了半导体激光器容易产生模分配噪声和 对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点； 3．工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需要精 确的温度控制，因而驱动电源很简单；
三、发光二极管的发射谱
半导体发光二极管的自发发射的特点决定了它的发射光 谱是很宽的，要比半导体激光器的线宽高几个数量级。 而且光谱宽度Δ与峰值波长有关，可表示为
6. 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
上式反映，无论电子还是空穴，非平衡载流子越多， 准费米能级偏离EF就越远。
EC EFn EFn EF EFn Ei n N C exp( ) n0 exp( ) ni exp( ) k0T k0T k0T EFp EV EF EFp Ei EFp p N v exp( ) p0 exp( ) ni exp( ) k0T k0T k0T
EC EF n0 N C exp( ) k0T EF EV p0 NV exp( ) k0T
半导体处于非平衡状态时，就不再存在统一的 费米能级。
引入 导带费米能级 价带费米能级
准费米能级
电子准费米能级(EFn) 空穴准费米能级(EFp)
引入准费米能级，非平衡状态下的载流 子浓度用与平衡载流子浓度类似公式表达
6.4.1 直接复合
直接复合：导带的电子直接落入价带与空穴复合 EC 复合 EV
EC
产生 EV
由于热激发等原因，价带中的电子有一定概率跃 迁到导带中去，产生一对电子和空穴。
1 复合率和产生率 复合率R（复合速率)有如下形式 R=rnp
比例系数r称为电子-空穴复合概率(直接复合系数)。 而 产生率=G
nen pe p pe(n p )
光导开关：超宽带反隐形冲击雷达，高功率脉冲点火系
统，瞬间辐射电磁武器，电子干扰与电子对抗等军事领域
2、非平衡载流子的复合
撤除产生非平衡载流子的外部因素后（停 止光照、外加电压，辐照等），系统将从非平 衡态恢复到平衡态，即电子-空穴对成对消失 的过程，即为非平衡载流子的复合。
h Eg
△n和△p就是非平衡载流子浓度， 也 叫过剩载流子。 △n称非平衡多子， △p为非平衡少子（p型相反）。
第6章半导体器件的基本特性
（a. 电子电流、b.空穴电流）
二、PN结及其单向导电性
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
+ + + + + + + + + + + +
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b
（a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
+ + + + + +
+ + + + + +
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。
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动 扩散的结果使 空间电荷区变宽。
PN结的单向导电性
1. PN 结加正向电压（正向偏置）
PN 结变窄
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可 小，用于高频整流和开关电路中。
第6章半导体结型器件
太阳能光电池主要用作电源，对它的要 求是转换效率高、成本低。
硅材料研究得最充分，硅光电池具有一 系列的优点，如性能稳定、寿命长、光谱 响应范围宽，频率特性好，能耐高温。
硒光电池其光谱响应曲线与人眼的光视 效率曲线相似，且价格比硅光池便宜。很 适合作光度测量的探测器，但由于稳定性 很差。目前已被硅光电池所代替，砷化钵 光电池
结果在N区将积累电子，P区将积累空 穴，产生了一个与内建电场方向相反的 光生电场，于是在P区和N区之间造成光 生电势差；如果光照保持不变，积累过 程达到动态平衡状态，从而给出一个与 光照度相应的稳定的电势差，称为光生 电动势，光强越强，光生电动势也就越 大。
2、工作模式
结型光电器件在有光照条件下，从理论 上说，可使用于正偏置、零偏置和反偏置。 但理论和实践证明，当使用于正偏置时，呈 现单向导电性(和普通二极管一样)，没有光 电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才 产生明显的光电效应。
由于i层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度 增加，提高了对光的吸收和光电变换区域，使量子 效率提高。
第八章 电荷耦合成像器件
固体成象器件就不需要在真空玻璃壳内用 靶来完成光学图象的转换及电子束按顺序 进行扫描就能获得视频信号，即器件本身 就能完成光学图象转换、信息存贮和按顺 序输出（称自扫描）视频信号的全过程。
电极 光电池
N P
+ 正极
栅状
N P
2DR
上电极 前极 SiO2 保护膜 —N-Si P-Si
下电极 Al 后极
上电极
P-Si
保护膜
N-Si
2CR
下电极
符号
I
P
N
RL
联结电路
Ip Ij
I u
第六章 半导体界面及接触现象-
能带越倾斜
大反向偏压下pn结的带图
Eg小、突变结、掺杂高的缓变结是导 致隧道击穿的因素。
3．热电击穿 热击穿容易发生的条件是Eg小，散
热不好的器件。
T , Js 按指数规律迅速上升
六、隧道结
重掺杂 > 1019/cm3 ， 这种强p型、强n型材料形成的p+-n+ 结称为隧道结。
1．隧道结的能带结构
Jn
nn
dEF dx
或 dEF Jn
dx nn
流过pn结的空穴电流密度（漂移＋扩散）
Jp
p p
dEF dx
或 dEF J p
dx p p
表示费米能级随位置的变化和电流密度的关系
对平衡pn结，Jn = Jp = 0
dEF 0, dx
EF 常数
J 不变，载流子浓度大的地方， dEF 小 dx
n区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成
了另一股正向电流。 P
N
+
－
总正向电流密度
Ε内
J正 ＝ J扩＋ Jr
复合电流密度 Jr
Jr
qni X D
2
qV 2KT
(rp rn )
pn0 np0和qV KT时
J正＝qni
Dp
ni
exp( qV ) X D exp(
qV
)
p ND
KT 2 p
n
p0
“－”表示 J 与正向时相反
反向电流密度饱和，与外加电压无关
J
pn结具有单向导电或整流效应
Js
V
pn结的 J－V 曲线
5. 温度对pn结电流密度的影响
J
J
s
e
半导体物理-第六章-pn结
6.1.5 pn结载流子分布
平衡时pn结，取p区电势为零， 势垒区一点x的电势V(x)，
x点的电势能为E(x)=-qV(x)
对非简并材料， x点的电子浓度 n(x)，应用第三章计算平衡时导 带载流子浓度计算方法
因为E(x)=-qV(x)
nn0
Nc
exp(
EF Ecn ), k0T
Ecn
6.1.3 pn结能带图
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p流到n区。
EFn不断下移，EFp不断上移,直到EFn=EFp 最后，pn具有统一费米能级EF, pn结处于平衡状态。
能带发生整体相对移动与pn结空 间电荷区中存在内建电场有关。
随内建电场(np)不断增大， V(x)不断降低，
n
p0
[exp(
qV k0T
)
1]
非平衡少数载流子浓度是电压的函数。
同理，nn’边界注入的非平衡少数载流子浓度为
pn (xn )
pn0
exp(
qV k0T
)
pp0
exp(
qV qVD k0T
)
qV pn (xn ) pn (xn ) pn0 pp0[exp( k0T ) 1]
px
pn0
exp(
qVD
qV (x) )
k0T
pn0是平衡时n区的少子浓度 当 X=Xn时，V(x)=VD, p(xn)=pn0
当 X=-Xp时，V(x)=0, p(-xp)=pp0
p(xp )
p p0
pn0
exp(
qVD k0T
)
pn0
半导体物理与器件-第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
Generation rate
Recombination rate
3
6.1载流子的产生与复合 6.1.1平衡半导体
平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级
EF，此时的平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF决定。
平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为
n0p0
Nc N vexp(
Eg kT
)
ni2
质量定律
称n0p0=ni2为非简并半导体平衡态判据式。
第6章 半导体中的非平衡过剩载流子
1
第6章 半导体中的非平衡过剩载流子
6．1载流子的产生与复合 6．2过剩载流子的性质 6．3双极输运 6．4准费米能级 *6．5过剩载流子的寿命 *6．6表面效应
2
6.1载流子的产生与复合 6.1.1平衡半导体
平衡状态下产生率等于复合率
产生是电子和空穴的生成过程 复合是电子和空穴的消失过程
一般来说：n型半导体中：δn<<n0，δp<<n0。 p型半导体中：δn<<p0，δp<<p0。
小注入：过剩载流子浓度远小于平衡态时的多子浓度. 大注入：过剩载流子浓度接近或大于平衡时多子的浓度.
7
6.1载流子的产生与复合 6.1.2过剩载流子
注意：
1.非平衡载流子不满足费米－狄拉克统计分布.
(有发光现象)、把多余能量传递给晶格或者把多余能量交给其 它载流子(俄歇复合)。
15
6.1载流子的产生与复合 6.1.2过剩载流子
过剩载流子的产生与复合相关符号
16
6.2过剩载流子的性质 6.2.1连续性方程
单位时间内由ｘ方向的粒子流产生的 空穴的净增加量
Fpx为空穴粒子的流量
半导体物理学第6章(pn结)
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
V0
－ － － － － －
P型区
空间 电荷 区
N型区
③ 空间电荷区 —— 在PN结的交界面附近，由于扩散 运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是 空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。 （见下一页的示意图）
漂移运动 P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + 内电场E
N型半导体
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 扩散运动 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
Ei Ev
Ec Ei
Silicon (n-type)
Ef
Ev
热平衡条件
内建电势
内建电势
PN结的内建电 势决定于掺杂 浓度ND、NA、 材料禁带宽度 以及工作温度
③接触电势差: ♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD ♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
半导体物理第六章
注意Nd、Na浓度
参照前边图中φFn、 φFp的定义，可以知道：
N qφFn = EFi − EF = −kT ln d ni N q φFp = EFi − EF = kT ln a ni
接触电势差的大小 直接和杂质浓度、 本征载流子浓度、 以及热电压（温度 及分布）相关。
§6.1 pn结的基本结构
若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是N 型，则 会在P 型区和N 型区的交界面附近形成pn 结，它的行 为并不简单等价于一块P型半导体和N 型半导体的串联。 这种结构具有特殊的性质：单向导电性。PN 结是许多 重要半导体器件的核心。
q PN结的制备方法： （1）合金法制备突变pn结； （2）扩散法制备缓变pn结； （3）外延、离子注入等；
D
内建电势差维持着n区多子电子与p区少子电子之间以及p区多子空穴 与n区少子空穴之间的平衡（扩散与漂移的平衡）。 由于空间电荷区是电子的势垒，因而空间电荷区（耗尽区）又称作势 垒区
对于平衡状态的pn结我们有：
E − EFi nn 0 = N d = ni exp F kT pp0 EFi − EF = N a = ni exp kT
参照前边图中φFn、 φFp的定义，可以知道：
VD = φFn + φFp
对照：费米能级和 N N kT N a N d = ln 2 = VT ln a 2 d 掺杂以及温度的关 q ni ni 系
N(x) NA NA ND ND x SiO2 n-Si n-Si xj x 杂质扩散 N(x)
n-Si p-Si sub
xj
n-Si
q pn结的空间电荷区和内建电场
参照前边图中φFn、 φFp的定义，可以知道：
N qφFn = EFi − EF = −kT ln d ni N q φFp = EFi − EF = kT ln a ni
接触电势差的大小 直接和杂质浓度、 本征载流子浓度、 以及热电压（温度 及分布）相关。
§6.1 pn结的基本结构
若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是N 型，则 会在P 型区和N 型区的交界面附近形成pn 结，它的行 为并不简单等价于一块P型半导体和N 型半导体的串联。 这种结构具有特殊的性质：单向导电性。PN 结是许多 重要半导体器件的核心。
q PN结的制备方法： （1）合金法制备突变pn结； （2）扩散法制备缓变pn结； （3）外延、离子注入等；
D
内建电势差维持着n区多子电子与p区少子电子之间以及p区多子空穴 与n区少子空穴之间的平衡（扩散与漂移的平衡）。 由于空间电荷区是电子的势垒，因而空间电荷区（耗尽区）又称作势 垒区
对于平衡状态的pn结我们有：
E − EFi nn 0 = N d = ni exp F kT pp0 EFi − EF = N a = ni exp kT
参照前边图中φFn、 φFp的定义，可以知道：
VD = φFn + φFp
对照：费米能级和 N N kT N a N d = ln 2 = VT ln a 2 d 掺杂以及温度的关 q ni ni 系
N(x) NA NA ND ND x SiO2 n-Si n-Si xj x 杂质扩散 N(x)
n-Si p-Si sub
xj
n-Si
q pn结的空间电荷区和内建电场
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电工与电子技术
6.1 半导体的基本知识
物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体三 大类。金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母 等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电 导率则在10-9~102s/cm量级。
1. 半导体的独特性能
半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导 体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：
学习与归纳 度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。
2. 半导体受温度和光照影响，产生本征激发现象而出现电子、空 穴对；同时，其它价电子又不断地 “转移跳进”本征激发出现 的空穴中，产生价电子与空穴的复合。在一定温度下，电子、空 穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下，半导体 中的载流子浓度一定，即反向电流的数值基本不发生变化。
导电性，PN结的单PN向结导中电反性向是它电构流成的半讨导论体器件的基础。
由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而 且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加 电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。反 向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对 反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断作用。
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＋4
＋4
＋4
自由电子载流子运动可以形
容为没有座位人的移动；空穴
载流子运动则可形容为有座位
＋4
＋4
＋4 的人依次向前挪动座位的运动。
半导体内部的这两种运动总是
共存的，且在一定温度下达到
动态平衡。
＋4
＋4
＋4
半导体的导电机理
半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别： 金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中 则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流 子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由 电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。
＋4
＋4
＋4
在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电 子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导
体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。
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＋4
＋－ 4
＋4
掺入硼杂质的硅半
+
B
导体晶格中，空穴 载流子的数量大大
＋4
＋4
＋4
增加。因此空穴是
三价元素硼(B)
3. 空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩 散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空 间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。
4. PN结的单向导电性是指：PN结的正向电阻很小，因此正向偏 置时多子构成的扩散电流极易通过PN结；同时PN结的反向电阻 很大，因此反向偏置时基本上可以认为电流无法通过PN结。
PN结的形成
空间电荷区
P区
－－－ － + + +
－ 在－一块晶－片的两－ 端分+别注入+ 三价+
－ 元－素硼和－五价元－ 素磷+
+
+
－－－ － + + +
+
+ N区
+
+
内电场
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动画演示
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PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的 漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结 果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了 少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界 面上N区失去的电子，同时， N区的少子空穴向P区漂移， 补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空 间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。 最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的 宽度基本稳定，即PN结形成。
这种半导体的导电 主流。
＋4
＋4
＋4
一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数 载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体 的导电能力可增强几十万倍。
掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自 由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。
在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电 子，而不能移动的离子带负电。
子外层都具有8个
动的空位，叫空穴。
价电子。但价电
子是相邻原子共 用，所以稳定性
＋＋ 4
＋4
并不能象绝缘体
那样好。
＋4
受光照或温度上升
影响，共价键中价电
子的热运动加剧，一
些价电子会挣脱原子
核的束缚游离到空间
＋4
＋4
＋4 成为自由电子。
由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。
本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产 生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带 正电荷的离子。
＋4
＋4
＋4
共价键结构
本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元 素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格 结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四 个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构。
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从共价键晶格结 构来看，每个原
＋4
＋＋4
＋4 在游离走的价电子原 位上留下一个不能移
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PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。 但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和 电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。
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4. PN结的单向导电性
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PN结反向偏置时的情况
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PN结的单向导电性
PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单 向
电工与电子技术
宜昌市水利电力学校 徐平
电工与电子技术
学习目的与要求
了解本征半导体、P型和N型半导体的特 征；了解PN结的形成过程；熟悉二极管的 伏安特性及其种类、用途；深刻理解晶体 管的电流放大原理，掌握晶体管的输入和 输出特性；了解场效应管的结构组成及工 作原理，初步掌握工程技术人员必需具备 的分析电子电路的基本理论、基本知识和 基本技能。
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不论是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的 移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的 数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。
一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。
注意：掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半
导体晶体仍然呈电中性。
何谓杂质半导体中的多子 和少子 ？N型半导体中的多 子是什么？少子是什么？
值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致 电子—空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增 长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设 计电路时，必须考虑温度补偿问题。
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1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度 非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很 大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓
光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；
热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；
掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 能力极大地增强；
半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。
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2. 本征半导体和杂质半导体
(1)本征半导体 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价 元素，即每个原子最外层电子数为4个。
自由电子导电和空 穴导电的区别在哪 里？空穴载流子的 形成是否由自由电 子填补空穴的运动 形成的？
P型半导体中的空穴 多于自由电子，是否 意味着带正电？
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3. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导 体器件的“元概念”和技术起始点。
+
+
Si(硅原子)
Ge(锗原子)
因为原子呈电中性，所
Si
Ge
+4
+4
以简化模型图中的原子 核只用带圈的+4符号表
示即可。
硅原子和锗原子的简化模型图
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天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经 过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。
＋4
＋4
晶格结构
＋4
＋4
＋4
＋4
实际上半导体的 晶格结构是三维 的。
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(2)杂质半导体
本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数 量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量 杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。
＋4
＋4
＋4
掺入磷杂质的硅半
+
P
导体晶格中，自由 电子的数量大大增
＋4
＋4
＋4
加。因此自由电子
五价元素磷(P)
是这种半导体的导 电主流。
由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参 与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。
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受光照或温度
＋4
＋4
＋4
此时整个晶 体带电吗？
上升影响，共
为什么？
价键中其它一
些价电子直接
重新恢复电中
性。
＋4
＋4
＋4
价电子填补空穴的现象称为复合。
参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的 空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价 电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同 于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子 载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空 穴载流子运动。