第1章-半導體材料及二極管-本征半導體研究報告

模擬電路基礎第一章

半導體材料及二極管概述

半導體：導電性能介于導體與絕緣體之間的物體半導體材料：Si和GePN結二極管

形成過程伏安特性應用電路幾種特殊的二極管1.1.1本征半導體本征半導體－純凈的具有晶體結構的半導體。晶格－在本征Si和Ge的單晶中，原子在空間形成排列整齊的空間點陣。

共價鍵結構本征激發(fā)本征半導體中的兩種載流子本征濃度1.共價鍵結構共價鍵圖1.1單晶Si和Ge的共價鍵結構示意圖

2.本征激發(fā)自由電子空穴

原子因失去一個價電子而帶正電，這個帶正電的“空位”叫空穴。本征激發(fā)

半導體在外界）熱或光或其他）激發(fā)下，產生自由電子空穴對的現象。圖1.2本征激發(fā)示意圖3.本征半導體中的兩種載流子

運載電荷的粒子稱為載流子。導體導電只有一種載流子，即自由電子導電。

圖1.3電子與空穴的運動空穴導電：當有電場作用時，價電子定向填補空位，使空位作相反方向的移動，這與帶正電荷的粒子作定向運動的效果完全相同。為了區(qū)別于自由電子的運動，我們就把價電子的運動虛擬為空穴運動（方向相反），認為空穴是一種帶正電荷的載流子。4.本征濃度載流子復合：自由電子與空穴在熱運動中相遇，使自由電子空穴對消失的現象。載流子的動態(tài)平衡：在一定溫度下，單位時間內本征激發(fā)所產生地自由電子空穴對的數目與復合而消失的自由電子空穴對的數目相等，就達到了載流子的動態(tài)平衡狀態(tài)，使本征半導體中載流子的濃度一定。本征載流子的濃度（1.1）1.2.2雜質半導體雜質半導體摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。

N型半導體

P型半導體雜質半導體的載流子濃度1.N型半導體摻入少量的Ⅴ族元素（如磷、砷、銻等）后，形成的雜質半導體稱為N型半導體。多出一個價電子只能位于共價鍵之外，成為“自由電子”。

圖1.4N型半導體原子結構示意圖施主原子：雜質原子施主離子：不能自由移動不能參與導電。多數載流子（多子）：自由電子。少數載流子（少子）：空穴。整體呈電中性2.P型半導體摻入少量Ⅲ族元素（如繃、鋁和銦等）后形成的雜質半導體稱為P型半導體。共價鍵因缺少一個價電子而出現一個“空位”。

圖1.5P型半導體原子結構示意圖受主原子：雜質原子受主離子：不能自由移動不能參與導電。多數載流子（多子）：空穴。少數載流子（少子）：自由電子。整體呈電中性3.雜質半導體的載流子濃度

熱平衡條件下自由電子的濃度

熱平衡條件下空穴的濃度

本征濃度

（1.2）1.1.3半導體中的電流

漂移電流擴散電流1.漂移電流在電場作用下，半導體中的載流子受電場力作宏觀定向漂移運動形成的電流，稱為漂移電流。它類似于金屬導體內的傳導電流。電子的漂移電流密度為--電子的遷移率,常數，表征電子在半導體中運動容易度的參數E是電場強度e--電子的電量n--電子的濃度（1.7）

而空穴順電場方向作定向運動，形成空穴電流，空穴的漂移電流密度為p--空穴的濃度是空穴的遷移率。和的方向是一致的，均為空穴流動的方向。所以（1.8）因此，半導體中的總的漂移電流為兩者之和，即總的漂移電流密度其中式中是半導體的電導率，與載流子濃度遷移率有關。（1.9）（1.10）（1.11）2.擴散電流

因載流子濃度差而產生的載流子宏觀定向運動形成的電流。

半導體中某處的擴散電流主要取決于該處載流子的濃度差（即濃度梯度），而與該處的濃度值無關。即擴散電流與載流子在擴散方向上的濃度梯度成正比，濃度差越大，擴散電流也越大。圖1.6半導體中載流子的濃度分布

即:某處擴散電流正比于濃度分布曲線上該點處的斜率和。

n(x)表示x處的電子濃度，p(x)表示x處的空穴濃度。由圖中的濃度分布曲線可知，該半導