PN结及二极管.ppt
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第二讲 半导体器件概述（书第一章） 2.1 PN结及二极管 2.2 半导体三极管 2.3 半导体场效应管
2020/4/20
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2.1 PN结及二极管
2.1.1 半导体及PN结 2.1.2 二极管的基本特性 2.1.3 二极管的主要参数及电路模型 2.1.4 特殊二极管
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
在本征半导体中掺入微量的某些元素 作为杂质，可使半导体的导电性发生显著 变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
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(1）N型半导体
在本征半导体 中掺入五价杂质元 素，例如磷，可形 成 N型半导体,也称 电子型半导体。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
由于物质的运动，半导体中的电子空穴对 不断产生，同时，自由电子与空穴相遇时又 将重新被共价键束缚，电子和空穴就会成对 消失，这是复合。
本征激发和复合不断的进行，在一定温度下会达 到动态平衡。载流子浓度稳定。
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2. 杂质半导体
(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响
半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半 导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 特点:导电能力可控(受控于光、热、杂质等)
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2.1.1 半导体及PN结
1.本征半导体
(1)本征半导体的共价键结构 (2)空穴的移动 (3)电子空穴对
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
由于掺入的五价杂质原子提供了大量的自由电子， 因此五价杂质原子也称为施主杂质。
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(2) P型半导体
在本征半导体中 掺入三价杂质元素， 如硼、镓、铟等形成 了P型半导体，也称 为空穴型半导体。
P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂质。
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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3. PN结
(1) PN结的形成 (2) PN结的单向导电性 (3) PN结的击穿 (4) PN结的电容效应
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(1) PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,
分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
IS P 区
N区
内电场 外电场
—_ ＋
IS= I少子 0
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（动画1－4、1-5）
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PN结加正向电压 时，呈现低电阻，具 有较大的正向扩散电 流；PN结加反向电压 时，呈现高电阻，具 有很小的反向漂移电 流。由此可以得出结 论：PN结具有单向导 电性。
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③ PN结的伏安特性
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② PN结反偏时 ——截止
外在加一的定反的向温电度压条有件一下部，分由降本落征在激P发N结决区定，的方少向子与浓 P度N结是内一电定场的方，向故相少同子，形加成强的了漂内移电电场流是。恒内定电的场，对基多子 扩本散上运与动所的加阻反碍向增电强压，的扩大散小电无流关大，大这减个小电。流此也时称P为N结 区反的向少饱子和在电内流电。场的作用下形成的漂移电流大于扩散 电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
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两种载流子的运动 动态平衡时
PN结 总电流I=0
空间电荷区宽度稳定
两种运动：
扩散（浓度差）
两种电流：
扩散电流
漂移（电场力） 漂移电流
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(2) PN结的单向导电性
在PN结两端外加电压通常叫做偏置。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压 ，简称正偏；
因浓度差
多子的扩散运动
P区
由正负离子形成空间电荷区 →
内建电场 N区
空间电荷区形成内电场
内电场促使 内电场阻止
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少子漂移
多 子 扩 散13
最后,多子的扩散和少子的漂移相等，达到动态平衡 。对于P型半导体 和N型半导体结合 面，离子薄层形成 的空间电荷区称为 PN结。
（动画1-3）
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=势垒区＝阻挡层
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（2）空穴的移动
（动画1-2）
自由电子产生的同时，在其原来的共价
键中就出现了一个空位，原子的电中性被破 坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电 量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为 空穴。半导体中有两种载流子参与导电。
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（3）电子空穴对
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
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① PN结正偏时 ——导通
IF P 区
外电场
N区 内电场
IF = I多子 I少子 I多子
限流电阻
外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方 向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是 ,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流 加大。漂移电流与扩散电流相比可忽略，PN结呈 现低阻性。
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（1）本征半导体的共价键结构
硅(锗)的原子结构
简化模型
价电子 (束缚电子)
硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
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当半导体处于热力学温度0K时，半导体 中没有自由电子。当温度升高或受到光的 照射时，价电子能量增高，有的价电子可 以挣脱共价键的束缚，而参与导电，成为 自由电子。这一现象称为本征激发，也称 热激发。
I IS (euD /UT 1)
反向饱 和电流
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(3) 杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下: 1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
ni = pi =1.4×1010/cm3 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
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2.1 PN结及二极管
2.1.1 半导体及PN结 2.1.2 二极管的基本特性 2.1.3 二极管的主要参数及电路模型 2.1.4 特殊二极管
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
在本征半导体中掺入微量的某些元素 作为杂质，可使半导体的导电性发生显著 变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
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(1）N型半导体
在本征半导体 中掺入五价杂质元 素，例如磷，可形 成 N型半导体,也称 电子型半导体。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
由于物质的运动，半导体中的电子空穴对 不断产生，同时，自由电子与空穴相遇时又 将重新被共价键束缚，电子和空穴就会成对 消失，这是复合。
本征激发和复合不断的进行，在一定温度下会达 到动态平衡。载流子浓度稳定。
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2. 杂质半导体
(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响
半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半 导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 特点:导电能力可控(受控于光、热、杂质等)
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2.1.1 半导体及PN结
1.本征半导体
(1)本征半导体的共价键结构 (2)空穴的移动 (3)电子空穴对
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
由于掺入的五价杂质原子提供了大量的自由电子， 因此五价杂质原子也称为施主杂质。
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(2) P型半导体
在本征半导体中 掺入三价杂质元素， 如硼、镓、铟等形成 了P型半导体，也称 为空穴型半导体。
P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂质。
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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3. PN结
(1) PN结的形成 (2) PN结的单向导电性 (3) PN结的击穿 (4) PN结的电容效应
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(1) PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,
分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
IS P 区
N区
内电场 外电场
—_ ＋
IS= I少子 0
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（动画1－4、1-5）
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PN结加正向电压 时，呈现低电阻，具 有较大的正向扩散电 流；PN结加反向电压 时，呈现高电阻，具 有很小的反向漂移电 流。由此可以得出结 论：PN结具有单向导 电性。
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③ PN结的伏安特性
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② PN结反偏时 ——截止
外在加一的定反的向温电度压条有件一下部，分由降本落征在激P发N结决区定，的方少向子与浓 P度N结是内一电定场的方，向故相少同子，形加成强的了漂内移电电场流是。恒内定电的场，对基多子 扩本散上运与动所的加阻反碍向增电强压，的扩大散小电无流关大，大这减个小电。流此也时称P为N结 区反的向少饱子和在电内流电。场的作用下形成的漂移电流大于扩散 电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
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两种载流子的运动 动态平衡时
PN结 总电流I=0
空间电荷区宽度稳定
两种运动：
扩散（浓度差）
两种电流：
扩散电流
漂移（电场力） 漂移电流
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(2) PN结的单向导电性
在PN结两端外加电压通常叫做偏置。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压 ，简称正偏；
因浓度差
多子的扩散运动
P区
由正负离子形成空间电荷区 →
内建电场 N区
空间电荷区形成内电场
内电场促使 内电场阻止
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少子漂移
多 子 扩 散13
最后,多子的扩散和少子的漂移相等，达到动态平衡 。对于P型半导体 和N型半导体结合 面，离子薄层形成 的空间电荷区称为 PN结。
（动画1-3）
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=势垒区＝阻挡层
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（2）空穴的移动
（动画1-2）
自由电子产生的同时，在其原来的共价
键中就出现了一个空位，原子的电中性被破 坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电 量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为 空穴。半导体中有两种载流子参与导电。
2020/4/20
6
（3）电子空穴对
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
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① PN结正偏时 ——导通
IF P 区
外电场
N区 内电场
IF = I多子 I少子 I多子
限流电阻
外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方 向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是 ,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流 加大。漂移电流与扩散电流相比可忽略，PN结呈 现低阻性。
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（1）本征半导体的共价键结构
硅(锗)的原子结构
简化模型
价电子 (束缚电子)
硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
2020/4/20
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当半导体处于热力学温度0K时，半导体 中没有自由电子。当温度升高或受到光的 照射时，价电子能量增高，有的价电子可 以挣脱共价键的束缚，而参与导电，成为 自由电子。这一现象称为本征激发，也称 热激发。
I IS (euD /UT 1)
反向饱 和电流
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(3) 杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下: 1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
ni = pi =1.4×1010/cm3 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3