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1、第二讲 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结,根据导电能力把物质分类：,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体。,1.1 半导体基础知识,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,1.1 半导体基础知识,半导体
2、的导电能力介于导体和绝缘体之间。其机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,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。,1.1 半导体基础知识,#！惯性核的正电荷量与电子的负电荷量相等，原子呈中性。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,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。,1.1.1 本征半导体,原子结构简化图：惯性核：原子核和内层电子外层价电子：最外层电子,1.1 半导体基础知识,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,无杂质,稳定的结构,在硅和锗晶体中，原子按四角
3、形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,1.1.1 本征半导体,1、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,1.1.1 本征半导体,本征激发：半导体中共价键分裂产生电子、空穴对的过程。原因：加热、光或其它射线照射。,载流子的复合：自由电子在运动过程
4、中能量减少，有可能填补空穴恢复共价键，该过程称为。激发 复合,1.1.1 本征半导体,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。,2、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,1.1.1 本征半导体,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。,载流子的浓度随温度升高按指数关系增加，导电能力增强。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。,3.本征半导体的性质：1.T=0K时,载流子的浓度为0。2.本征半导体的导电
5、能力取决于载流子的 浓度。3.导电能力差,并对温度很敏感.,1.1.1 本征半导体,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,在本征半导体中通过扩散工艺，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。,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电能力大为提高,掺入三价元素如B、Al等，形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入五价元素如P、As(砷)等，形成N型半导体，也称电子型半导体,1.1 半导体基础知识,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,
6、多数载流子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.1.2 杂质半导体,1.N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素，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，这样杂质原子就成了不能移动的带正电的离子。每个杂质原子给出一个电子，称为施主原子。,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。掺入元素：五价元素（磷、砷、锑ti）,1.1.2 杂质半导体,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.本征激发成对
7、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）。,#正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。,1.1.2 杂质半导体,2.P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,1.1.2 杂质半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，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
8、时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，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，所以称为受主原子。,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。掺入元素：三价元素（硼、铟）,1.1.2 杂质半导体,空穴,硼原子,空穴(多子)：杂质原子+本征激发电子(少子)：本征激发,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,#负离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。,1.1.2 杂质半导体,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:,3.杂质对半导体导电性的影响,杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数
9、却远大于本征载流子数。,1.1.2 杂质半导体,4.杂质半导体的性质：1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。2.载流子仍为自由电子和空穴.3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影响小.,1.1.2 杂质半导体,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。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。,5.杂质半导体的示意表示法,负离子,空穴(多子),1.1.2 杂质半导体,6.载流子的漂移运动和扩散运动,热运动：没有电场作用时，半导体中载流子的不规则运动。无电流 漂移运动：有电场作用时，半导体中载流
10、子产生定向运动。漂移电流 扩散运动：当半导体受光照或从外界有载流子注入时，半导体内载流子浓度分布不均匀，载流子从高浓度区域向低浓度区域运动。扩散电流,1.1.2 杂质半导体,半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,热敏特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光敏特性,光敏器件光电器件,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 PN结,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。,1.1 半导体基础知识,1.PN结
11、的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,1.1.3 PN结,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动扩散运动产生扩散电流,漂移运动,少子向对方漂移,称漂移运动漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电
12、荷区，又称高阻区，也称耗尽层,1.1.3 PN结,PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,2.PN结的单向导电性,1.1.3 PN结,PN 结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置也就是：P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置也就是：P区加负、N区加正电压。,归纳：,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。
13、,在于它的耗尽层的存在，且其宽度随外加电压而变化。,这就是PN结的单向导电性。,式中 Is 反向饱和电流;UT 等效电压 T=300k（室温）时 UT=26mv,当加反向电压时：,当加正向电压时：,(UUT),PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式,3.PN结电流方程,1.1.3 PN结,4.PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿,1.1.3 PN结,击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流
14、激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生,PN结的反向击穿,1.1.3 PN结,热击穿电击穿,1.1.3 PN结,5.PN结的电容效应,1.势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2.扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,
