模電=第2講半導體基礎知識

1、一、本征半導體一、本征半導體二、雜質半導體二、雜質半導體三、三、PNPN結的形成及其單向導電性結的形成及其單向導電性 導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。無雜質無雜質穩(wěn)定的結構穩(wěn)定的結構本征半導體是本征半導體是純凈純凈的具有的具有晶體結構晶體結構的半導體。的半導體。1、什么是半導體？什么是本征半導體？、什么是半導體？什么是本征半導體？ 導體導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。 絕緣體絕緣體惰性氣體、橡

2、膠等，其原子的最外層電子受原惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。電。 半導體半導體硅（硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產生使共價鍵中留自由電子的產生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴。有一個空位置，稱為空穴

3、。 半導體在熱激發(fā)下產生半導體在熱激發(fā)下產生自由電子自由電子-空穴對空穴對的現象稱為的現象稱為本本征激發(fā)征激發(fā)。共價鍵共價鍵 自由電子與空穴相遇時會主動填補空穴，使兩者同時消自由電子與空穴相遇時會主動填補空穴，使兩者同時消失，這種現象稱為失，這種現象稱為復合復合。載流子載流子 外加電場時，帶外加電場時，帶負電的自由電負電的自由電子子和和帶正電的空穴帶正電的空穴均參與導電，均參與導電，且且運動方向相反運動方向相反分別形成電子電分別形成電子電流和空穴電流。本征半導體中的流和空穴電流。本征半導體中的電流為電子電流和空穴電流之和。電流為電子電流和空穴電流之和。并且載流子數目很少，故導電性并且載流子數目

4、很少，故導電性很差。很差。 運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。一定溫度下，自由電子一定溫度下，自由電子空穴對的濃度一定（本征激發(fā)與復空穴對的濃度一定（本征激發(fā)與復合運動達到合運動達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡）；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價）；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子鍵的電子增多，自由電子空穴對的濃度增大。空穴對的濃度增大。 導體和半導體中的載流子是否相同？導體和半導體中的載流子是否相同？為什么？影響本征半導體中載流子為什么？影響本征半導體中載流子濃度的主要因素是什么？濃度的主要因素是什么？ 結論：本征半導體在不同的溫度下，自由電子和空穴的濃度不同，所以導

5、電性能也不同，當絕對溫度等于0度時，為絕緣體。就本征半導體和自然界半導體相比，本征半導體的導電性要弱。：本征半導體中摻入：本征半導體中摻入少量少量合適合適的雜質元素的雜質元素5磷（磷（P） 雜質半導體主要靠多數載雜質半導體主要靠多數載流子導電。摻入雜質越多，流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，多子濃度越高，導電性越強，實現人為的導電性可控。實現人為的導電性可控。多數載流子多數載流子 空穴比未加雜質時的數目空穴比未加雜質時的數目多了？少了？為什么？多了？少了？為什么？3硼（硼（B）多數載流子多數載流子 P型半導體主要靠空穴導電，型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，摻

6、入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強，導電性越強， 在雜質半導體中，溫度變化時，在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數目變化嗎？少子與多載流子的數目變化嗎？少子與多子數目的變化相同嗎？少子與多子數目的變化相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？子濃度的變化相同嗎？ 雜質半導體中，影響載流子濃度的主要因素是什么？影響多雜質半導體中，影響載流子濃度的主要因素是什么？影響多子濃度的因素和影響少子濃度的主要因素是否相同？為什么？子濃度的因素和影響少子濃度的主要因素是否相同？為什么？ 結論：1、N型半導體自由電子為多數載流子，空穴為少數載流子；主要靠自由電子導電，摻入P元素越多，導電性越強。2、 P型半導體

7、自由電子為少數載流子，空穴為多數載流子；主要靠空穴導電，摻入B元素越多，導電性越強。 物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。擴散運動擴散運動N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P區(qū)。區(qū)。當當P型半導體和型半導體和N型半導體制作在同一塊硅片上時，交界面處型半導體制作在同一塊硅片上時，交界面處會產生擴散運動和復合運動，出現會產生擴散運動和復合運動，出現不可移動的正負離子區(qū)不可移動的正負離子區(qū)，從，從而產生而產生內電場內電場，阻止擴散運動的繼續(xù)進行，阻止擴散運動的繼續(xù)進行。（內電場方向？）。（內電場方向？）P

8、區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠高濃度遠高于于N區(qū)。區(qū)。 因內電場作用所產因內電場作用所產生的運動稱為漂移運生的運動稱為漂移運動。動。 當參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，當參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態(tài)平衡時，交界面處就形成了達到動態(tài)平衡時，交界面處就形成了PN結。結。漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面處多數載流子濃度下降，區(qū)的交界面處多數載流子濃度下降，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區(qū)區(qū)向向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運動。區(qū)運動。PN結加正向電壓導通：結加

9、正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電場的作用，形劇，由于外電場的作用，形成正向電流，成正向電流，PNPN結處于導通結處于導通狀態(tài)。狀態(tài)。PN結加反向電壓截止：結加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似認為其截止。認為其截止。a、正向特性、正向特性 b、反向特性、反向特性 （當反向電壓超過反向擊穿電壓時，反向電流急（當反向電壓超過反向擊穿電壓時，反向電流急劇增加，稱為反向擊穿）劇增加，稱為反向擊穿）1）齊納擊穿：摻雜濃度高，需較

10、低的反向電壓，直接破壞共價鍵）齊納擊穿：摻雜濃度高，需較低的反向電壓，直接破壞共價鍵2）雪崩擊穿：摻雜濃度低，需較高的反向電壓，少子碰撞共價鍵）雪崩擊穿：摻雜濃度低，需較高的反向電壓，少子碰撞共價鍵) 1e (TSUuIi1. 勢壘電容勢壘電容 PN結外加電壓變化時，結外加電壓變化時，空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容擴散電容 PN結外加的正向電壓變化時，在結外加的正向電壓變化時，在擴散過程擴散過程中載中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等