第二讲 半导体基础知识第二讲 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三,PN结的形成及其单向导电性四,PN结的电容效应一,本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
无杂质 稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
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。
电阻率介于 10-2～
109欧姆 /厘米
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。
载流子外加电场时，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。
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
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。
二、杂质半导体
1,N型半导体
5?
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。
多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？
2,P型半导体
3?
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？
三,PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。
扩散运动
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。
PN结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。
漂移运动由于扩散运动使 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。
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。
PN结的单向导电性
PN结的电流方程
11 T
U
u
S
kT
qu
S
eIeIi
Is? 反向饱和电流
q? 电子电量
k? 玻耳兹曼常数
T? 热力学温度在 T=300K时,UT≈26 mV
清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
四,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。
dbj CCC
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！
清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
五,PN结的击穿击穿特性电击穿 (可逆 )
热击穿 (不可逆 )
雪崩击穿 (低掺杂 PN结,VBR＞ 6V )
齐纳击穿 (高掺杂 PN结,VBR＜ 6V )
小反向电压引起强电场 电子 -空穴对场致激发载流子剧增齐纳击穿（高掺杂－耗尽层窄 -小电压）
共价键破坏
PN
PN结接电源负极接电源正极
1 2
23
122 3
图 2.12
少子漂移加速碰撞电离 电子 -空穴对 碰撞电离 电子 -空穴对 …
载流子倍增雪崩击穿（低掺杂－耗尽层宽 -大电压）
破坏共价键
无杂质 稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
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。
电阻率介于 10-2～
109欧姆 /厘米
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。
载流子外加电场时，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。
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
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。
二、杂质半导体
1,N型半导体
5?
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。
多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？
2,P型半导体
3?
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？
三,PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。
扩散运动
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。
PN结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。
漂移运动由于扩散运动使 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。
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。
PN结的单向导电性
PN结的电流方程
11 T
U
u
S
kT
qu
S
eIeIi
Is? 反向饱和电流
q? 电子电量
k? 玻耳兹曼常数
T? 热力学温度在 T=300K时,UT≈26 mV
清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
四,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。
dbj CCC
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！
清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
五,PN结的击穿击穿特性电击穿 (可逆 )
热击穿 (不可逆 )
雪崩击穿 (低掺杂 PN结,VBR＞ 6V )
齐纳击穿 (高掺杂 PN结,VBR＜ 6V )
小反向电压引起强电场 电子 -空穴对场致激发载流子剧增齐纳击穿（高掺杂－耗尽层窄 -小电压）
共价键破坏
PN
PN结接电源负极接电源正极
1 2
23
122 3
图 2.12
少子漂移加速碰撞电离 电子 -空穴对 碰撞电离 电子 -空穴对 …
载流子倍增雪崩击穿（低掺杂－耗尽层宽 -大电压）
破坏共价键
