半導體基礎知識《汽車電工電子基礎》授課教師：江潤蓮自然界物質分類

金屬導體的電阻率一般在10-5

.cm量級；絕緣體如塑料、云母等的電阻率通常是1022~1014.cm量級；半導體的電阻率則在109~10-2

.cm量級。

半導體的導電能力雖然介于導體和絕緣體之間，但半導體的應用卻極其廣泛，這是由半導體的獨特性能決定的半導體材料特性光敏性——半導體受光照后，其導電能力大大增強；熱敏性——受溫度的影響，半導體導電能力變化很大；摻雜性——在半導體中摻入少量特殊雜質，其導電能力極大地增強。

半導體材料的獨特性能是由其內部導電機理決定的。123本征半導體PN結雜質半導體1本征半導體1.本征半導體

最常用的半導體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，即每個原子最外層電子數為4個。++Si(硅原子)Ge(鍺原子)Si+4Ge+4因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可。天然硅和鍺不能制成半導體器件的。必須先經過高度提純，形成晶格結構完全對稱的本征半導體。

本征半導體原子核最外層的價電子都是4個，稱為四價元素，它們排列成非常整齊的晶格結構。實際上半導體的晶格結構是三維的＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4晶格結構共價鍵結構

在本征半導體的晶格結構中，每一個原子均與相鄰的四個原子結合，即與相鄰四個原子的價電子兩兩組成電子對，構成共價鍵結構。1.本征半導體

1.本征半導體＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價鍵晶格結構來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價電子是相鄰原子共用，所以穩定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。

受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。

由于熱激發而在晶體中出現電子空穴對的現象稱為本征激發。

本征激發的結果，造成了半導體內部自由電子載流子運動的產生，由此本征半導體的某原子電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。＋＋1.本征半導體＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進空穴，使失電子的原子重新恢復電中性。

價電子填補空穴的現象稱為復合。此時整個晶體帶電嗎？為什么？參與復合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復合運動使本征半導體中又形成一種不同于本征激發下的電荷遷移，為區別于本征激發下自由電子的運動，我們把價電子填補空穴的復合運動稱空穴運動。1.本征半導體半導體的導電機理與金屬導體導電機理的本質區別：

金屬導體中只有自由電子一種載流子參與導電；而半導體中則是本征激發下的自由電子和復合運動形成的空穴兩種載流子同時參與導電。兩種載流子電量相等、符號相反，即自由電子和空穴的運動方向相反。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4

自由電子運動可以形容為沒有座位人的移動；空穴運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動。半導體內部的這兩種運動總是共存的，且在一定溫度下達到動態平衡。半導體的導電機理2雜質半導體2.雜質半導體

在硅(或鍺)的晶體中摻入磷(或其他的五價元素)時，只是某些位置上的硅(或鍺)原子被磷原子所取代，磷原子參加共價鍵結構只需四個價電子，多余的第五個電子很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。①N型半導體自由電子數目大大增加，這種半導體主要以自由電子導電為主，故N型半導體被稱為電子半導體。在N型半導體中，自由電子是多數載流子，而空穴則是少數載流子多余自由電子2.雜質半導體在硅晶體中摻入少量硼。每個硼原子只有三個價電子，在構成共價鍵時，缺少一個電子而產生一個空位(空穴)，當相鄰原子中的價電子受激發時，就有可能填補這個空穴，而在該相鄰原子中出現一個空穴，每個硼原子能提供一個空穴，于是在半導體中就出現了大量空穴。②P型半導體

這種半導體以空穴導電為主，稱為P型半導體或空穴半導體。在P型半導體中多數載流子是空穴，少數載流子是自由電子。2.雜質半導體②P型半導體注意：不論N型或P型半導體，它們都會有一種載流子占多數，但是整個晶體還是中性的。①N型半導體3PN結3.PN結少子的漂移運動空間電荷區稱為PN結①PN結的形成多子的擴散運動內電場濃度差PN內電場越強漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄擴散的結果使空間電荷區變寬

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區3.PN結空間電荷區稱為PN結①PN結的形成

空間電荷區中沒有載流子；空間電荷區中的內電場阻礙多子的擴散運動；少子數量有限，它們形成的電流很小。請注意內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－3.PN結

(1)PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負

外電場IF

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流，即正向電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–②PN結的單向導電性3.PN結

(1)PN結加正向電壓（正向偏置）P接正、N接負

當外電壓較小時，并不能完全削弱內電場，此時，只有很小的電流，只有外電壓增加到某一值時，才產生較大的擴散電流，該電壓稱為PN結的死區電壓。外電場IF內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–硅材料PN結死區電壓0.5V，鍺材料PN結死區電壓0.1V。②PN結的單向導電性3.PN結PN結變寬外電場

內電場加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的漂移電流，即反向電流。IRP接負、N接正

–+

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－(2)PN結加反向電壓（反向偏置）②PN結的單向導電性3.PN結溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。PN結變寬外電場

內電場加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的漂移電流，即反向電流。IR–+內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－(2)PN結加反向電壓（反向偏置）P接負、N接正

②PN結的單向導電性3.PN結②PN結的單向導電性

綜上：