第2章半導體基礎及二極管（1）武漢理工大學信息工程學院電子技術基礎課程組電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎

本征半導體、雜質(zhì)半導體

有關半導體的基本概念

自由電子、空穴N型半導體、P型半導體

多數(shù)載流子、少數(shù)載流子擴散、漂移

施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1半導體基本知識主要內(nèi)容1.1半導體材料1.2半導體的共價鍵結(jié)構1.3本征半導體1.4雜質(zhì)半導體電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.1半導體材料導體：電阻率

<10-4

·cm的物質(zhì)。如銅、銀、鋁等金屬材料。絕緣體：電阻率

>109

·

cm物質(zhì)。如橡膠、塑料等。半導體：導電性能介于導體和半導體之間的物質(zhì)。典型的半導體材料有硅(Si)和鍺(Ge)以及砷化鎵（GaAs，屬于半導體化合物）。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎硅原子結(jié)構（14）

硅原子結(jié)構(a)硅的原子結(jié)構圖最外層電子稱價電子

價電子硅原子是4價元素

4價元素的原子通常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4(b)簡化模型電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎鍺原子結(jié)構（32）

鍺原子結(jié)構(a)鍺的原子結(jié)構圖最外層也是四個價電子所以鍺原子也是4價元素鍺原子的簡化模型和硅相同+4(b)簡化模型2n2（n層）

電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.2半導體的共價鍵結(jié)構半導體的導電性能是由其原子結(jié)構決定的。+4圖2硅和鍺的原子結(jié)構簡化模型圖1硅和鍺的共價鍵結(jié)構圖電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.3本征半導體基本概念本征半導體：完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構的半導體。

本征激發(fā)：在溫度作用下，束縛電子脫離共價鍵而形成自由電子，并在原來的位置上形成空穴的過程。空穴：當電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，共價鍵中就留下一個空位，這個空位叫做空穴。半導體中有兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.3本征半導體基本概念本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。本征半導體中自由電子和空穴的濃度用ni

和pi

表示，顯然ni

=pi

。由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。（熱敏性）電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.3本征半導體＋4空穴自由電子圖3空穴－電子對的產(chǎn)生由于熱激發(fā)而產(chǎn)生自由電子，自由電子移走后留下空穴。＋4＋4＋4電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.3本征半導體＋4圖4電子與空穴的移動＋4＋4＋4電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.4雜質(zhì)半導體基本概念本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體有兩種：N（電子）型半導體和P（空穴）型半導體。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.4雜質(zhì)半導體N型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價元素（雜質(zhì)），如磷、銻、砷等，即構成N型半導體(或稱電子型半導體)。五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，而五價雜質(zhì)原子因提供了自由電子故也稱為施主雜質(zhì)。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.4雜質(zhì)半導體N型半導體＋4＋5＋4＋4施主正離子多余的電子圖5N型半導體的共價鍵結(jié)構電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.4雜質(zhì)半導體P型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價元素（雜質(zhì)），如硼、鎵、銦等，即構成P型半導體。因3價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.4雜質(zhì)半導體P型半導體＋4＋4＋4＋3受主原子圖6P型半導體的共價鍵結(jié)構電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎1.4雜質(zhì)半導體有關雜質(zhì)半導體的幾點說明摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。雜質(zhì)半導體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。（摻雜性）雜質(zhì)半導體總體上保持電中性。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎2PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成擴散運動：載流子從濃度較高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域的運動，形成的電流稱為擴散電流。在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散和漂移，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。漂移運動：在電場力的作用下，載流子從濃度低的區(qū)域向濃度高的區(qū)域的定向運動，形成的電流稱為漂移電流。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎2PN結(jié)的形成及特性漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E圖7載流子的擴散和漂移運動空間電荷區(qū)電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎2PN結(jié)的形成及特性漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎2PN結(jié)的形成及特性漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E當擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡時，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。此時PN結(jié)達到動態(tài)穩(wěn)定！電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎2PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕驅(qū)ǚ聪蚪刂乖赑N結(jié)加上正向電壓或正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。當PN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。PN結(jié)加上反向電壓或反向偏置的意思都是：P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。當PN結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎2PN結(jié)的形成及特性－－－－++++空間電荷區(qū)變薄PN正向電流內(nèi)電場減弱，使擴散加強，擴散飄移，正向電流大圖8PN結(jié)正向偏置+_電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎2PN結(jié)的形成及特性－－－－++++－－－－++++空間電荷區(qū)變厚反向飽和電流很小，A級內(nèi)電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小圖9PN結(jié)反向偏置PN+_電子技術基礎精品課程——模擬電子技術基礎PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加上正向電壓或正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。PN結(jié)加正向電壓

導通

PN結(jié)