模電第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

第2章半導(dǎo)體基礎(chǔ)及二極管（1）武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院電子技術(shù)基礎(chǔ)課程組電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

有關(guān)半導(dǎo)體的基本概念

自由電子、空穴N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體

多數(shù)載流子、少數(shù)載流子擴(kuò)散、漂移

施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1半導(dǎo)體基本知識(shí)主要內(nèi)容1.1半導(dǎo)體材料1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.3本征半導(dǎo)體1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體材料導(dǎo)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(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)。典型的半導(dǎo)體材料有硅(Si)和鍺(Ge)以及砷化鎵（GaAs，屬于半導(dǎo)體化合物）。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)硅原子結(jié)構(gòu)（14）

硅原子結(jié)構(gòu)(a)硅的原子結(jié)構(gòu)圖最外層電子稱(chēng)價(jià)電子

價(jià)電子硅原子是4價(jià)元素

4價(jià)元素的原子通常用+4電荷的正離子和周?chē)?個(gè)價(jià)電子表示。+4(b)簡(jiǎn)化模型電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)鍺原子結(jié)構(gòu)（32）

鍺原子結(jié)構(gòu)(a)鍺的原子結(jié)構(gòu)圖最外層也是四個(gè)價(jià)電子所以鍺原子也是4價(jià)元素鍺原子的簡(jiǎn)化模型和硅相同+4(b)簡(jiǎn)化模型2n2（n層）

電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。+4圖2硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型圖1硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)圖電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.3本征半導(dǎo)體基本概念本征半導(dǎo)體：完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。

本征激發(fā)：在溫度作用下，束縛電子脫離共價(jià)鍵而形成自由電子，并在原來(lái)的位置上形成空穴的過(guò)程?？昭ǎ寒?dāng)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子后，共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，這個(gè)空位叫做空穴。半導(dǎo)體中有兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.3本征半導(dǎo)體基本概念本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，稱(chēng)為電子-空穴對(duì)。本征半導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)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(guān)，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(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.3本征半導(dǎo)體＋4空穴自由電子圖3空穴－電子對(duì)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(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.3本征半導(dǎo)體＋4圖4電子與空穴的移動(dòng)＋4＋4＋4電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體基本概念本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種：N（電子）型半導(dǎo)體和P（空穴）型半導(dǎo)體。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)元素（雜質(zhì)），如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱(chēng)電子型半導(dǎo)體)。五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)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(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，而五價(jià)雜質(zhì)原子因提供了自由電子故也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體＋4＋5＋4＋4施主正離子多余的電子圖5N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)元素（雜質(zhì)），如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。因3價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。在P型半導(dǎo)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?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體＋4＋4＋4＋3受主原子圖6P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體有關(guān)雜質(zhì)半導(dǎo)體的幾點(diǎn)說(shuō)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(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。（摻雜性）雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子從濃度較高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域的運(yùn)動(dòng)，形成的電流稱(chēng)為擴(kuò)散電流。在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散和漂移，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，形成的電流稱(chēng)為漂移電流。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2PN結(jié)的形成及特性漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E圖7載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2PN結(jié)的形成及特性漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2PN結(jié)的形成及特性漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E當(dāng)擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。此時(shí)PN結(jié)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定！電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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(fù)電壓。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)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(fù)、N區(qū)加正電壓。當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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(chǎng)減弱，使擴(kuò)散加強(qiáng)，擴(kuò)散飄移，正向電流大圖8PN結(jié)正向偏置+_電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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(jí)內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，使擴(kuò)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(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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(fù)電壓。PN結(jié)加正向電壓

導(dǎo)通

PN結(jié)