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1、半导体的基础知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，物体分为导体、绝缘体和半导体。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的特性:光敏特性（用于制作光敏电阻、二极管、三极管等）热敏特性（用于制作电阻）掺杂特性（用于制作半导体器件）。,1、本征半导体的共价键结构,2、电子空穴对,3、空穴的移动,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。,一、本征半导体,1、本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原
2、子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体（单晶体）。这种结构的立体和平面示意图见图1.1。,2、电子空穴对,当导体处于热力学温度0K时，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原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,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。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴
3、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，如图1.2所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,图1.2 本征激发和复合的过程（动画1-1）,3、空穴的移动,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。见图1.3的动画演示。,（动画1-2）,图1.3 空穴在晶格中的移动,二、杂质半导体,1.N型半导体2.P型半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，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
4、体。,1.N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷、砷、锑等，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。,N型半导体中自由电子是多数载流子,主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发产生。,提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图1.4所示。,图1.4 N型半导体结构示意图,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
5、型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,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，使杂质原子因得到一个电子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图1.5所示。,图1.5 P型半导体的结构示意图,图1.5 P型半导体的结构示意图,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:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,三、PN结,1.PN结的形成,2.PN结的单向导电性,3.PN结的电容效应,4.PN结的击穿特性
6、,1.PN结的形成,在一块本征半导体的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:,因浓度差 多子的扩散运动,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,在交界处电子和空穴相符合形成由杂质离子形成空间电荷区,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体结合面，由离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称为耗尽层。,图1.6 PN结的形成过程,（动画1-3）,PN 结形成的过程可参阅图1.6。,2.PN结的单向导电性,如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N
7、区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,(1)PN结加正向电压时的导电情况,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。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况如图1.7所示。,（动画1-4）,图1.7 PN结加正向电压时的导电情况,(2)PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在P
8、N结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内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。,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况如图1.8所示。,图 1.8 PN结加反向电压时的导电情况,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。,（动画1-5）
9、,图 1.8 PN结加反向电压时的导电情况,#3.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。,(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。势垒电容的示意图见图1.9。,图 1.9 势垒电容示意图,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
10、度梯度分布曲线。,(2)扩散电容CD,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图1.10所示。,图 1.10 扩散电容示意图,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。,4.PN结的击穿特性,当加于PN结两端的反向电压增大到一定值（击穿电压）时，二极管的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。反向击穿后，只要反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，PN结一般不会损坏。,击穿,电击穿（可恢复）热击穿（不可恢复）,击穿,齐纳击穿（6V），具有负温度系数雪崩击穿（6V），具有正温度系数,本节小结,学完本节内容后需要掌握以下内容：1.半导体的分类及特性；2.两种杂质半导体的形成及性质3.PN结的形成原理4.PN结的特性-单向导电性5.PN结的击穿特性 两种击穿：齐纳击穿（击穿电压小于6伏）雪崩击穿（击穿电压大于6伏）,
