11学习半导体基础知识讲义教材
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半导体的电阻率为10-3～109 cm。
半导体材料： 元素半导体： 硅（Si）、锗（Ge） 化合物半导体： 砷化镓（GaAs）
第一章 常用半导体器件
back
10
半导体器件中用的最多的是硅和锗。
半导体的特点：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
第一章 常用半导体器件
back
16
二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
R
E
第一章 常用半导体器件
back
39
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。
PN结单向导电性 动画演示
第一章 常用半导体器件
back
40
3 PN结方程
iDIS(evD/VT1)
19
自由电子的定向运动形成了电子电流，空 穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向 相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的 价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的 导电能力不如自由电子。
第一章 常用半导体器件
back
20
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
43
1 势垒电容Cb
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。
当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层 的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的
电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容 的示意图如下。
第一章 常用半导体器件
back
44
2 扩散电容Cd
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电
第一章 常用半导体器件
back
18
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
在其它力的作用下，空
穴吸引附近的电子来填
+4
+4
补，这样的结果相当于 空穴的迁移，而空穴的
迁移相当于正电荷的移
+4
+4
动，因此可以认为空穴 是载流子。
动画演示
第一章 常用半导体器件
back
变薄
+ P
－+ －+ －+ －+
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
_ N
外电场
R
内电场
E
第一章 常用半导体器件
back
38
2、PN 结反向偏置
变厚
_ P
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强，多子
的扩散受抑制。少子漂
移加强，但少子数量有
限，只能形成较小的反
向电流。
+
N
内电场
外电场
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， 相当于两个区之间没有扩电散荷运运动动，空间电荷区的厚
度固定不变。
第一章 常用半导体器件
back
33
电位V
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。
第一章 常用半导体器件
back
28
例：
纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级，
在室温下，载流子浓度为ni=pi=1010数量级，掺入 百万分之一的杂质（1/10-6），即杂质浓度为1022* （1/106）=1016数量级，则掺杂后载流子浓度为 1016+1010，约为1016数量级，
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型区
空间 电荷 区
N型区
第一章 常用半导体器件
back
34
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区
中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
iD
向电流突然快速增加，
此现象称为PN结的反向
击穿。
雪崩击穿
V BR
O
D
齐纳击穿
热击穿——不可逆
第一章 常用半导体器件
back
42
四、 PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的 因素决定。
一是势垒电容Cb ， 二是扩散电容Cd 。
Cj = Cb + Cd
第一章 常用半导体器件
back
比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。
第一章 常用半导体器件
back
29
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: n = p =1.5×1010/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
iD/mA 1.0
其中 IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
0.5 iD=– IS
–– 1.0
––0.5
0
0.5
且在常温下（T=300K）
PN结的伏安特性
VT
kT0.026V26mV q
1.0 D/V
第一章 常用半导体器件
back
41
三、 PN结的反向击穿
当PN结的反向电压
增加到一定数值时，反
第一章 常用半导体器件
back
11
§ 1.1.1 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体材料制成晶体。
第一章 常用半导体器件
back
12
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。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
第一章 常用半导体器件
back
24
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代， 磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个 电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子， 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个 磷原子给出一个电子，称为施主原子。
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
第一章 常用半导体器件
back
30
§1.1.3 PN结
一、 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
第一章 常用半导体器件
back
31
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识
第一章 常用半导体器件
1
电子元器件的发展：
分立元件（电子管、晶体管）、集成电路 （1）1907年，电子三极管问世
灯丝工作电压6.3V，工作电流0.3A，单管功耗约2W 第一台电子数字计算机：18,000只电子管，功耗为36KW 特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢 （2）1947年，晶体管发明 克服了电子管的以上所有缺陷 （3）五十年代末，集成电路出现（管路结合）
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
第一章 常用半导体器件
扩散的结果是使空间电
荷区逐渐加宽，空间电
荷区越宽。
back
32
漂移运动
P型半导体
流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结 的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。
反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图 如下页所示。
第一章 常用半导体器件
back
45
当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。
PN结的形成 动画演示
第一章 常用半导体器件
back
35
第一章 常用半导体器件
back
36
二、 PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区 加负、N 区加正电压。
第一章 常用半导体器件
back
37
1、PN 结正向偏置
+3
+4
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
第一章 常用半导体器件
back
27
三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
在常温下，使一些价电子获得足够的能量 而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价 键上留下一个空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
第一章 常用半导体器件
back
17
本征激发 动画演示
可见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。游离的部分自 由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征 激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
第一章 常用半导体器件
back
25
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
第一章 常用半导体器件
back
26
二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质
取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时， 空穴
产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补，
+4
+4
使得硼原子成为不能移动
的带负电的离子。由于硼 原子接受电子，所以称为
扩散电容示意图
第一章 常用半导体器件
back
46
第一章 常用半导体器件
back
47
第一章 常用半导体器件
back
48
第一章 常用半导体器件
back
49
第一章 常用半导体器件
back
2
第一章 常用半导体器件
back
3
back
第一章 常用半导体器件
back
5
第一章 常用半导体器件
back
6
第一章 常用半导体器件
back
7
第一章 常用半导体器件
back
8
第一章 常用半导体器件
back
9
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。
ni A3 T/2eEg/2o k T
第一章 常用半导体器件
back
22
上式中的各参数的意义和值可见教材P3 从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能 随温度升高而迅速增大，这一点在今后的学习中 非常重要。
注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很 小的百分数，比如：硅的原子密度为
4.96×1022cm-3
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的 导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要 的外部因素，这是半导体的一大特点。
第一章 常用半导体器件
back
21
可以证明：热平衡载流子浓度（即单位体积内的 载流子数）的值为ni、pi（表示自由电子浓度值 和空穴浓度值）：
第一章 常用半导体器件
back
13
第一章 常用半导体器件
back
14
硅和锗的共价键结构
+4表示 除去价电 子后的原
子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
第一章 常用半导体器件
back
15
形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
Hale Waihona Puke Baidu
ni 1.5×1010cm-3，可见本
征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率
约为2.2×105Ωcm）。
第一章 常用半导体器件
back
23
§ 1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
半导体材料： 元素半导体： 硅（Si）、锗（Ge） 化合物半导体： 砷化镓（GaAs）
第一章 常用半导体器件
back
10
半导体器件中用的最多的是硅和锗。
半导体的特点：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
第一章 常用半导体器件
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二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
R
E
第一章 常用半导体器件
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39
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。
PN结单向导电性 动画演示
第一章 常用半导体器件
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40
3 PN结方程
iDIS(evD/VT1)
19
自由电子的定向运动形成了电子电流，空 穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向 相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的 价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的 导电能力不如自由电子。
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本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
43
1 势垒电容Cb
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。
当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层 的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的
电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容 的示意图如下。
第一章 常用半导体器件
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44
2 扩散电容Cd
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电
第一章 常用半导体器件
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2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
在其它力的作用下，空
穴吸引附近的电子来填
+4
+4
补，这样的结果相当于 空穴的迁移，而空穴的
迁移相当于正电荷的移
+4
+4
动，因此可以认为空穴 是载流子。
动画演示
第一章 常用半导体器件
back
变薄
+ P
－+ －+ －+ －+
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
_ N
外电场
R
内电场
E
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2、PN 结反向偏置
变厚
_ P
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强，多子
的扩散受抑制。少子漂
移加强，但少子数量有
限，只能形成较小的反
向电流。
+
N
内电场
外电场
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， 相当于两个区之间没有扩电散荷运运动动，空间电荷区的厚
度固定不变。
第一章 常用半导体器件
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33
电位V
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。
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例：
纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级，
在室温下，载流子浓度为ni=pi=1010数量级，掺入 百万分之一的杂质（1/10-6），即杂质浓度为1022* （1/106）=1016数量级，则掺杂后载流子浓度为 1016+1010，约为1016数量级，
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型区
空间 电荷 区
N型区
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注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区
中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
iD
向电流突然快速增加，
此现象称为PN结的反向
击穿。
雪崩击穿
V BR
O
D
齐纳击穿
热击穿——不可逆
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42
四、 PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的 因素决定。
一是势垒电容Cb ， 二是扩散电容Cd 。
Cj = Cb + Cd
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比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。
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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: n = p =1.5×1010/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
iD/mA 1.0
其中 IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
0.5 iD=– IS
–– 1.0
––0.5
0
0.5
且在常温下（T=300K）
PN结的伏安特性
VT
kT0.026V26mV q
1.0 D/V
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三、 PN结的反向击穿
当PN结的反向电压
增加到一定数值时，反
第一章 常用半导体器件
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§ 1.1.1 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体材料制成晶体。
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12
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。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
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一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代， 磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个 电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子， 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个 磷原子给出一个电子，称为施主原子。
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
第一章 常用半导体器件
back
30
§1.1.3 PN结
一、 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
第一章 常用半导体器件
back
31
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识
第一章 常用半导体器件
1
电子元器件的发展：
分立元件（电子管、晶体管）、集成电路 （1）1907年，电子三极管问世
灯丝工作电压6.3V，工作电流0.3A，单管功耗约2W 第一台电子数字计算机：18,000只电子管，功耗为36KW 特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢 （2）1947年，晶体管发明 克服了电子管的以上所有缺陷 （3）五十年代末，集成电路出现（管路结合）
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
第一章 常用半导体器件
扩散的结果是使空间电
荷区逐渐加宽，空间电
荷区越宽。
back
32
漂移运动
P型半导体
流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结 的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。
反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图 如下页所示。
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45
当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。
PN结的形成 动画演示
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35
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36
二、 PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区 加负、N 区加正电压。
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1、PN 结正向偏置
+3
+4
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
第一章 常用半导体器件
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27
三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
在常温下，使一些价电子获得足够的能量 而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价 键上留下一个空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
第一章 常用半导体器件
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17
本征激发 动画演示
可见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。游离的部分自 由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征 激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
第一章 常用半导体器件
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25
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
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二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质
取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时， 空穴
产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补，
+4
+4
使得硼原子成为不能移动
的带负电的离子。由于硼 原子接受电子，所以称为
扩散电容示意图
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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。
ni A3 T/2eEg/2o k T
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上式中的各参数的意义和值可见教材P3 从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能 随温度升高而迅速增大，这一点在今后的学习中 非常重要。
注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很 小的百分数，比如：硅的原子密度为
4.96×1022cm-3
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的 导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要 的外部因素，这是半导体的一大特点。
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可以证明：热平衡载流子浓度（即单位体积内的 载流子数）的值为ni、pi（表示自由电子浓度值 和空穴浓度值）：
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硅和锗的共价键结构
+4表示 除去价电 子后的原
子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
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形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
Hale Waihona Puke Baidu
ni 1.5×1010cm-3，可见本
征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率
约为2.2×105Ωcm）。
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§ 1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。