清华模电第一章PPT课件
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hongbaow@mail.tsinghua.edu.cn
11
五、PN结的电容效应 1、势垒电容
耗尽层的宽窄随外加电压的变化而变化，这相 当于电容的充、放电，其所等效的电容称为势垒电 容Cb。如图1.1.11所示。
清华大学 王宏宝
图1.1.11
清华大学 王宏宝 hongbaow@mail.tsinghua.edu.cn
7
二、PN结的单向导电性
1、外加正向电压时PN结处于导通状态
PN结处于正向偏置。外电
场将多数载流子推向空间电
荷区，使其变窄，削弱了内
电场，破坏了原来的平衡，
扩散加剧，漂移减弱。电源
作用下，扩散运动源源不断
地进行，从而形成正向电流，
PN结导通。正向导通电压只
有零点几伏，所以串联电阻
以限制电流。
图1.1.6
扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容的充 放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容Cd。
清华大学 王宏宝
清华大学 王宏宝 hongbaow@mail.tsinghua.edu.cn
级密度有关的常量。 T=300K时，硅、 锗本征载流子浓度 分别为
ni pi 1.431010cm3,ni pi 2.381010cm3
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清华大学 王宏宝 hongbaow@mail.tsinghua.edu.cn
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4
1.1.2 杂质半导体 一、N型半导体
5
二、P型半导体
纯净硅晶体中掺入 三价元素（如硼），使 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供空 穴，所以称之为受主原 子。空穴为多数载流子， 自由电子为少数载流子， 简称多子和少子。
图1.1.4
清华大学 王宏宝
源自文库
清华大学 王宏宝 hongbaow@mail.tsinghua.edu.cn
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6
1.1.3 PN结 一、 PN结的形成
浓度差—扩散运动
复 合—空间电荷区
内电场—漂移运动
多子扩散=少子漂移
达到动态平衡，形成
PN结。
在空间电荷区内自
由电子和空穴都很少，
所以称为耗尽层。
图1.1.5
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清华大学 王宏宝 hongbaow@mail.tsinghua.edu.cn
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u iISeUT1;T30K 时 0 U ， T2m 6。 V
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10
四、PN结的伏安特性
u＞0, 正向特性；
u＜0, 反向特性；
反向电压大时反向击穿。
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2、外加反向电压时PN 处于截止状态
PN结处于反向偏置状 态。外电场使空间电荷区 变宽，加强了内电场，阻 止扩散运动的进行，加剧 漂移运动的进行，形成反 向电流，也称为漂移电流。 因为少子的数目极少，即 使都参与漂移，反向电流 也非常小，认为PN结处于 截止状态。
hongbaow@mail.tsinghua.edu.cn
12
2、扩散电容 PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。
正向偏置时，参加扩散的P区空穴和N区的自由电子 均称为非平衡少子。外加正向电压一定时，靠近耗 尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，远离交界 面地方的浓度低。且浓度自高到低逐渐衰减，直到 零，形成一定的浓度梯度（浓度差），从而形成扩 散电流。外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度 增大且浓度梯度也增大，从外部看正向（扩散）电 流增大。当外加正向电压减小时，变化情况相反。
高掺杂情况，耗尽层很
图1.1.10
窄，不大的反向电压可产生 很大的电场，直接破坏 共价
键，产生电子-空穴对，称为齐纳击穿；掺杂浓度
较低，反向电压较大时，电场使少子加快漂移速
度，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对，又
撞出价电子，称为雪崩击穿。击穿时要限制电流,
否则造成永久性损坏。
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图1.1.7
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9
三、PN结的电流方程
qu
i IS ekT 1 ;
IS:反向饱和电流； q：电子的电量；
k：玻尔兹曼常数；
T：热力学温度。
将式中的kT/q用UT取代，则得
3
四、本征半导体中载流子的浓度
本征激发、复合、动态平衡
n i p i K 1 T 3 ／ 2 e E G ／ O 2 kT
ni、pi:自由电子与空穴浓度（ cm3）； T：热力学温度； k：玻尔兹曼常数（ 8.6 31 0 5eV ／ K）； EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量； K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能
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2
三、本征半导体中的两种载流子
载流子： 自由电子 空穴
图1.1.2
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纯净硅晶体中掺入 五价元素（如磷），使 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供电 子，所以称之为施主原 子。自由电子浓度大, 为多数载流子，空穴为 少数载流子，简称多子和少子。
图1.1.3
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1
1.1 半导体器件基础
1.1.1 本征半导体 一、半导体
导体 绝缘体 半导体：硅（Si）
锗（Ge） 二、本征半导体
的晶体结构
图1.1.1
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五、PN结的电容效应 1、势垒电容
耗尽层的宽窄随外加电压的变化而变化，这相 当于电容的充、放电，其所等效的电容称为势垒电 容Cb。如图1.1.11所示。
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二、PN结的单向导电性
1、外加正向电压时PN结处于导通状态
PN结处于正向偏置。外电
场将多数载流子推向空间电
荷区，使其变窄，削弱了内
电场，破坏了原来的平衡，
扩散加剧，漂移减弱。电源
作用下，扩散运动源源不断
地进行，从而形成正向电流，
PN结导通。正向导通电压只
有零点几伏，所以串联电阻
以限制电流。
图1.1.6
扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容的充 放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容Cd。
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级密度有关的常量。 T=300K时，硅、 锗本征载流子浓度 分别为
ni pi 1.431010cm3,ni pi 2.381010cm3
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1.1.2 杂质半导体 一、N型半导体
5
二、P型半导体
纯净硅晶体中掺入 三价元素（如硼），使 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供空 穴，所以称之为受主原 子。空穴为多数载流子， 自由电子为少数载流子， 简称多子和少子。
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1.1.3 PN结 一、 PN结的形成
浓度差—扩散运动
复 合—空间电荷区
内电场—漂移运动
多子扩散=少子漂移
达到动态平衡，形成
PN结。
在空间电荷区内自
由电子和空穴都很少，
所以称为耗尽层。
图1.1.5
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u iISeUT1;T30K 时 0 U ， T2m 6。 V
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10
四、PN结的伏安特性
u＞0, 正向特性；
u＜0, 反向特性；
反向电压大时反向击穿。
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2、外加反向电压时PN 处于截止状态
PN结处于反向偏置状 态。外电场使空间电荷区 变宽，加强了内电场，阻 止扩散运动的进行，加剧 漂移运动的进行，形成反 向电流，也称为漂移电流。 因为少子的数目极少，即 使都参与漂移，反向电流 也非常小，认为PN结处于 截止状态。
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2、扩散电容 PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。
正向偏置时，参加扩散的P区空穴和N区的自由电子 均称为非平衡少子。外加正向电压一定时，靠近耗 尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，远离交界 面地方的浓度低。且浓度自高到低逐渐衰减，直到 零，形成一定的浓度梯度（浓度差），从而形成扩 散电流。外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度 增大且浓度梯度也增大，从外部看正向（扩散）电 流增大。当外加正向电压减小时，变化情况相反。
高掺杂情况，耗尽层很
图1.1.10
窄，不大的反向电压可产生 很大的电场，直接破坏 共价
键，产生电子-空穴对，称为齐纳击穿；掺杂浓度
较低，反向电压较大时，电场使少子加快漂移速
度，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对，又
撞出价电子，称为雪崩击穿。击穿时要限制电流,
否则造成永久性损坏。
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三、PN结的电流方程
qu
i IS ekT 1 ;
IS:反向饱和电流； q：电子的电量；
k：玻尔兹曼常数；
T：热力学温度。
将式中的kT/q用UT取代，则得
3
四、本征半导体中载流子的浓度
本征激发、复合、动态平衡
n i p i K 1 T 3 ／ 2 e E G ／ O 2 kT
ni、pi:自由电子与空穴浓度（ cm3）； T：热力学温度； k：玻尔兹曼常数（ 8.6 31 0 5eV ／ K）； EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量； K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能
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三、本征半导体中的两种载流子
载流子： 自由电子 空穴
图1.1.2
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纯净硅晶体中掺入 五价元素（如磷），使 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供电 子，所以称之为施主原 子。自由电子浓度大, 为多数载流子，空穴为 少数载流子，简称多子和少子。
图1.1.3
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1.1 半导体器件基础
1.1.1 本征半导体 一、半导体
导体 绝缘体 半导体：硅（Si）
锗（Ge） 二、本征半导体
的晶体结构
图1.1.1
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