模电第1章半导体器件基础分解

空穴
+4 +4
P型半导体
空穴
－ － －－
+4
硼原子
+3 +4
－ － －－ － － －－
+4
+4 +4
多数载流子：空穴
杂质电离 本征激发
少数载流子：自由电子 本征激发
受主离子
杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
1.1.2.杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导 体称为杂质半导体。按掺入杂质的不同，杂质半导 体分为N型和P型两种。
1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷、砷、 锑等，使自由电子浓度大大增加，称为N型或电子型 半导体。
N型半导体
杂质电离
硅原子 + 4
多余电子
+4
磷原子
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——本征激发产生，与温度有关 多子浓度——杂质电离产生，与杂质浓度有关，与温度无关
1.1.3 PN结及其单向导电性
1 . PN结的形成：多子扩散、少子漂移
P型半导体与N 型半导体结合
因多子浓度差多子的扩散、复合
空间电荷区
形成内电场E 阻止多子扩散，促使少子漂移。
内电场E
+4
+4
+4
电子空穴对 自由电子
N型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
+4 +4
++ + +
多数载流子:自由电子 少数载流子: 空穴
杂质电离 本征激发
本征激发
施主离子
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、铝等，
使空穴浓度大大增加，称为P型或空穴型半导体。
硅原子
+4
电子空穴对
模电-第1章-半导体器件基础 分解
1.1 半导体的基础知识
在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导 体、绝缘体和半导体。
典型的半导体是硅Si(14) 和锗Ge(32)
价电子
惯性核
si
GG ee
+4
硅原子
原子结构模型
锗原子
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。 它们都是4价元素
硅和锗的惯性核模型
U 为PN结两端的电压降 I为流过PN结的电流 IS 为反向饱和电流 UT =kT/q
I IS
称为温度的电压当量
反向饱和电流
I（F 多子扩散）其q 为中1电.k3为8子×玻电1耳0荷－兹量23曼1.6常×数10－9
正偏
T 为热力学温度
对于室温（相当T=300 K）
反偏
则有UT=26 mV。
IR（少子漂移）
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －－ + + + +
－ － －－ + + + +
－ － －－ + + + +
少子漂移电流
耗尽区
多子扩散电流
少子漂移
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E
多子扩散
耗尽层又失去多子，耗尽层宽，E
内电场E
动画演示
P型半导体 耗尽层 N型半导体
－ － －－ + + + +
动画演示
常温T=300K时： 电子空穴对的浓度
硅：1.41010
cm3
锗：2.51013
cm3
－
本征半导体导电机制
+4
E
＋
+4
+4 自由电子
+4
+4 +4
+4
+4
+4
自由电子—带负电荷—逆电场运动:电子流 两种载流子 空穴—带正电荷—顺电场运动:空穴流 ＋总电流
载流子电子空穴对的浓度取决于外加能量：温度变化，导电性变化； 光照变化，导电性变化。
2. PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移 电流IR ，呈现高电阻， PN结截止，开关断开。
由此可以得出结论： PN结具有单向导电性。
1.1.3 PN结的伏安特性
根据理论分析：
I
U
IS(e
UT
1)
当 U>0
U>>UT时
U
e UT
1
U
I ISe UT
U
当 U<0 |U|>>|U T |时 e UT 1
P
空间电荷区
N
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
IR
内电场 E
EW
R
在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外
加反压的大小无关，只与温度有关，所以称为反向饱和电流IS 。
综上所述：
动画演示
1. PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散 电流IF，呈现低电阻， PN结导通，开关闭合；
空穴
+4
+4 +4
自由电子
+4
+4 +4
可见，本征激发同时产生电子
空穴对。而且外加能量越高（
温度越高，光照越强），产生
的电子空穴对浓度越高。
与本征激发相反的现象 ——复合
在一定温度下，本征激发 和复合同时进行，达到动 态平衡。电子空穴对的浓 度一定，为：
3 Eg0
ni pi AT e 2 2kT
电子空穴对
1.1.1. 本征半导体
本征半导体——化学成分纯净单一的半导体晶体。制造半导体器 件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“9个9”。
本征半导体的结构——共价键结构：
+4
+4
+4
+4
+4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+4
+4
+4
+4
束缚电子
在绝对温度T=0K时，所有的 价电子都紧紧束缚在共价键中，称 为束缚电子，因此本征半导体的导 电能力很弱，接近于绝缘体。
反向饱和电流 反向击穿电压
IF（多子扩散） 正偏
反偏 IR（少子漂移）
1.1.4. PN结的反向击穿
电击穿——可逆 热击穿——烧坏PN结
雪崩击穿:反向电压较大时，正温度系数； 齐纳击穿:反向电压较小，杂质浓度较高时，负温度系数。
1.1.5. PN结的电容效应
(1) 势垒电容CB
→多子扩散形成正向电流I F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －－
++ ++
－ － － 正－向电流 + + + +
－ － －－ ++ + +
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
－ － －－ + + + +
－ － －－ + + + +
少子漂移电流
动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流
势垒 UO
硅 0.5V 锗 0.1V
多子扩散电流
总电流＝0
2. PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动>>漂移运动
当温度升高或受到
+4
+4 +4
光的照射时，束缚 电子能量增高，有
的可以摆脱共价键
的束缚，成为自由
+4
+4 +4
电子，从而可以参 与导电。
空穴
自由电子
自由电子产生的
+4
+4 +4
同时，在其原来的共 价键中就出现了一个
空位，称为空穴。空
穴是带正电荷的。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
+4
+4 +4