模电(第二版)PPT孙肖子第四章
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示意
而自由电子的浓度 np 为
np
ni2 pp
ni2 NA
环境温度也明显影响 np 的取值。
整理ppt
7
∙7∙
第四章 常用半导体器件原理
4.1.3 漂移电流和扩散电流 半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。
半导体电流 I In IP
漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场
方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，
过程称为复合， 整理ppt
4
∙4∙
第四章 常用半导体器件原理
平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和 pi表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ，理论上
3 EG0
ni pi A0T2e 2kT
其中 T 为绝对温度 (K) ；EG0 为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为1.21 eV，锗 为0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.87 1016 cm- 3 K 3 / 2，锗为1.76 1016 cm 3 K 3 / 2。
n N 平 面 示 意
n
D 杂质浓度
热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流
子浓度 ni 的平方，所以空穴的浓度 pn为
pn
ni2 nn
ni2 ND
因为 ni 容易受到温度的影响发生显著整变理化ppt，所以 pn 也随环境的改变明显6变化。
∙6∙
第四章 常用半导体器件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理
N区
多子扩散
+ + + +
内 +
+
+
+
空间电荷区，内建电场 和内建电位差的产生
二、P 型半导体
在本征半导体中掺入三价原子，即构成 P 型半导体。P 型半导体中每掺杂一个杂质 元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增 加了空穴的浓度一一受主电离
多数载流子一一空穴 少数载流子一一自由电子 但半导体仍保持电中性
+4
+4
+4
空位
+4
+3
+4
受主原子
+4
+4
+4
空穴浓度 pp NA
掺图杂4 .浓1 . 7 庹P 型 半 导 体 空 间 晶 格 结 构 的 平 面
第四章 常用半导体器件原理
本章从半导体器件的工作机理出发，简单介绍半导体物理基础知识， 包括本征半导体，杂质半导体，PN结；分别讨论晶体二极管的特性和典型 应用电路，双极型晶体管和场效应管的结构、工作机理、特性和应用电路， 重点是掌握器件的特性。
4.1 半导体物理基础
导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。
这样产生的电流称为漂移电流，该电流的
半导体电流
大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和
电场强度。
扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载
流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而
形成扩散电流，该电流的大小正比于载流
子的浓度差即浓度梯度的大小。
整理ppt
8
∙8∙
4.2 PN 结
第四章
通过掺杂工艺，把本征半导体
而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以
研究中硅和锗原子可以用简化整理模pp型t 代表 。
2
∙2∙
第四章 常用半导体器件原理
+4
+4
+4
共价键
+4
+4
+4
价电子
+4
+4
+4
每个原子最外层轨道上 的四个价电子为相邻原子核 所共有，形成共价键。共价 键中的价电子是不能导电的 束缚电子。
价电图 4子.1 .2 可本 征以半 获导 体 得的 空 足间 晶够格 结大构 的能量，挣脱共价 键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共 价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这 个过程称为本征激发。
4.1.2 N 型半导体和 P 型半导体
本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本
征半导体的导电能力很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的原
子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂
质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为 N 型半导体
和 P 型半导体。
整理ppt
5
∙5∙
第四章 常用半导体器件原理
4.1.1 本征半导体
第四章 常用半导体器件原理 纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。
带一个单位负电荷的价电子 最外层轨道
+14
+4
+32
带四个单位正电荷的原子核部分
硅原子
简化模型
锗原子
硅(和a) 锗的原子最外层轨(道b) 上都有四个电子，称为(c)价电子，
每个价电子带一个单位图的4.1.负1 电硅和荷锗的 。原因子模 为型整个原子呈电中性，
+4
+4
出现了带负电的自由电子和带正电 价电子移动方向
的空穴，二者都可以参与导电，统
+4
+4
称为载流子。
+4 空穴移动方向
+4
+4
+4
自由电子
图 4 .1 .4 价 电 子 反 向 递 补 运 动 相 当 于
自由电子和空穴在空 自穴 移 由动 移动过程
中相遇时，自由电子填入空穴，释放
空穴
+4
+4
出能量，从而消失一对载流子，这个
+4
+4
自由电子
本征激发产生成对的自由电子和空穴，所
+4
+4
以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。
整理ppt
空穴
3
图 4 . 1 . 3 本 征 激 发 成 对 产 生∙ 3 ∙
第四章 常用半导体器件原理
价电子的反向递补运动等价为空 穴在半导体中自由移动。因此，在
+4
+4
+4
本征激发的作用下，本征半导体中
一、N 型半导体
+4
+4
+4
在本征半导体中掺入五价原子，即构成
键外电子
N 型半导体。N 型半导体中每掺杂一个杂质
元素的原子，就提供一个自由电子，从而大
+4
+5
+4
量增加了自由电子的浓度一一施主电离
多数载流子一一自由电子 少数载流子一一空穴
施主原子
+4
+4
+4
但半导体仍保持电中性
自由电子浓度
图 4 .1 .6 N 型 半 导 体 空 间 晶 格 结 构 的
媒
绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108 ~ 1020 ·m。
质
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅 (Si) 、锗 (Ge) 和砷化镓
(GaAs) 。
半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因 素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半 导体元器件的重要材料整。理ppt
1
∙1∙
的一边做成 P 型半导体，另一边做
成 N 型半导体，则 P 型半导体和
N 型半导体的交接面处会形成一个
有特殊物理性质的薄层，称为 PN
结。
4.2.1 PN 结的形成
常用半导体器件原理
P区
N区
+ + + + + + + + + + + + + + + +
(a )
P区
空间电荷区
而自由电子的浓度 np 为
np
ni2 pp
ni2 NA
环境温度也明显影响 np 的取值。
整理ppt
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第四章 常用半导体器件原理
4.1.3 漂移电流和扩散电流 半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。
半导体电流 I In IP
漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场
方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，
过程称为复合， 整理ppt
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第四章 常用半导体器件原理
平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和 pi表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ，理论上
3 EG0
ni pi A0T2e 2kT
其中 T 为绝对温度 (K) ；EG0 为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为1.21 eV，锗 为0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.87 1016 cm- 3 K 3 / 2，锗为1.76 1016 cm 3 K 3 / 2。
n N 平 面 示 意
n
D 杂质浓度
热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流
子浓度 ni 的平方，所以空穴的浓度 pn为
pn
ni2 nn
ni2 ND
因为 ni 容易受到温度的影响发生显著整变理化ppt，所以 pn 也随环境的改变明显6变化。
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第四章 常用半导体器件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理
N区
多子扩散
+ + + +
内 +
+
+
+
空间电荷区，内建电场 和内建电位差的产生
二、P 型半导体
在本征半导体中掺入三价原子，即构成 P 型半导体。P 型半导体中每掺杂一个杂质 元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增 加了空穴的浓度一一受主电离
多数载流子一一空穴 少数载流子一一自由电子 但半导体仍保持电中性
+4
+4
+4
空位
+4
+3
+4
受主原子
+4
+4
+4
空穴浓度 pp NA
掺图杂4 .浓1 . 7 庹P 型 半 导 体 空 间 晶 格 结 构 的 平 面
第四章 常用半导体器件原理
本章从半导体器件的工作机理出发，简单介绍半导体物理基础知识， 包括本征半导体，杂质半导体，PN结；分别讨论晶体二极管的特性和典型 应用电路，双极型晶体管和场效应管的结构、工作机理、特性和应用电路， 重点是掌握器件的特性。
4.1 半导体物理基础
导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。
这样产生的电流称为漂移电流，该电流的
半导体电流
大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和
电场强度。
扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载
流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而
形成扩散电流，该电流的大小正比于载流
子的浓度差即浓度梯度的大小。
整理ppt
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4.2 PN 结
第四章
通过掺杂工艺，把本征半导体
而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以
研究中硅和锗原子可以用简化整理模pp型t 代表 。
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第四章 常用半导体器件原理
+4
+4
+4
共价键
+4
+4
+4
价电子
+4
+4
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每个原子最外层轨道上 的四个价电子为相邻原子核 所共有，形成共价键。共价 键中的价电子是不能导电的 束缚电子。
价电图 4子.1 .2 可本 征以半 获导 体 得的 空 足间 晶够格 结大构 的能量，挣脱共价 键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共 价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这 个过程称为本征激发。
4.1.2 N 型半导体和 P 型半导体
本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本
征半导体的导电能力很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的原
子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂
质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为 N 型半导体
和 P 型半导体。
整理ppt
5
∙5∙
第四章 常用半导体器件原理
4.1.1 本征半导体
第四章 常用半导体器件原理 纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。
带一个单位负电荷的价电子 最外层轨道
+14
+4
+32
带四个单位正电荷的原子核部分
硅原子
简化模型
锗原子
硅(和a) 锗的原子最外层轨(道b) 上都有四个电子，称为(c)价电子，
每个价电子带一个单位图的4.1.负1 电硅和荷锗的 。原因子模 为型整个原子呈电中性，
+4
+4
出现了带负电的自由电子和带正电 价电子移动方向
的空穴，二者都可以参与导电，统
+4
+4
称为载流子。
+4 空穴移动方向
+4
+4
+4
自由电子
图 4 .1 .4 价 电 子 反 向 递 补 运 动 相 当 于
自由电子和空穴在空 自穴 移 由动 移动过程
中相遇时，自由电子填入空穴，释放
空穴
+4
+4
出能量，从而消失一对载流子，这个
+4
+4
自由电子
本征激发产生成对的自由电子和空穴，所
+4
+4
以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。
整理ppt
空穴
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图 4 . 1 . 3 本 征 激 发 成 对 产 生∙ 3 ∙
第四章 常用半导体器件原理
价电子的反向递补运动等价为空 穴在半导体中自由移动。因此，在
+4
+4
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本征激发的作用下，本征半导体中
一、N 型半导体
+4
+4
+4
在本征半导体中掺入五价原子，即构成
键外电子
N 型半导体。N 型半导体中每掺杂一个杂质
元素的原子，就提供一个自由电子，从而大
+4
+5
+4
量增加了自由电子的浓度一一施主电离
多数载流子一一自由电子 少数载流子一一空穴
施主原子
+4
+4
+4
但半导体仍保持电中性
自由电子浓度
图 4 .1 .6 N 型 半 导 体 空 间 晶 格 结 构 的
媒
绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108 ~ 1020 ·m。
质
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅 (Si) 、锗 (Ge) 和砷化镓
(GaAs) 。
半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因 素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半 导体元器件的重要材料整。理ppt
1
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的一边做成 P 型半导体，另一边做
成 N 型半导体，则 P 型半导体和
N 型半导体的交接面处会形成一个
有特殊物理性质的薄层，称为 PN
结。
4.2.1 PN 结的形成
常用半导体器件原理
P区
N区
+ + + + + + + + + + + + + + + +
(a )
P区
空间电荷区