課程半導體基礎知識資料講解

１.１半導體基礎知識

１、半導體的知識；２、摻質半導體；３、ＰＮ結的單向導電性；４、ＰＮ結的伏安特性。

重點：一、知識回顧１、信號２、電信號３、電子信息系統(tǒng)４、Multisim10軟件介紹

１.１半導體基礎知識

（一）、半導體（二）、摻雜半導體

（三）、ＰＮ結

１、物質的分類導體：導電性能很強，電阻率很小。如：硅、鍺及一些金屬氧化物。半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的那些物質。如：惰性氣體、氦、氖等高分子物質：橡膠、塑料、玻璃等；陶瓷、云母等。絕緣體：即使外加很高的電壓，也幾乎沒有電流通過。（按導電性能）如：鐵、鋁、銅、銀、金等。２、半導體的獨特性能(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅(Si)、和鍺(Ge)

，和砷化鎵(GaAs)等，它們的最外層電子（價電子）都是四個。3、本征半導體硅原子結構示意圖鍺原子硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子圖1–1硅和鍺簡化原子結構模型圖1–2本征半導體共價鍵晶體結構示意圖共價鍵中的價電子由于熱運動而獲得一定的能量,其中少數(shù)能夠擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子,同時必然在共價鍵中留下空位,稱為空穴。空穴帶正電,如圖1-３所示。圖1–3本征半導體中的自由電子和空穴動畫完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

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Si價電子（二）、摻雜半導體１、Ｎ型半導體：摻入微量三價元素：如：硼、鋁、鎵等；２、Ｐ型半導體：摻入微量五價元素：如：磷、砷、銻等１、N型半導體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

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Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動畫N型半導體多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi圖1-4N型半導體共價鍵結構N型半導體在本征半導體中,摻入微量５價元素,如磷、砷、銻等,則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。２、P型半導體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

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在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。動畫空穴P型半導體硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被認為帶一個單位的正電荷，并且可以移動P型半導體

在本征半導體中,摻入微量３價元素,如硼、鎵、銦等,則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質原子代替。圖1–5P型半導體的共價鍵結構（三）、ＰＮ結

１、ＰＮ結的形成；５、ＰＮ結的電容效應；２、ＰＮ結的單向導電性；３、ＰＮ結的電流方程４、ＰＮ結的伏安特性多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)１、ＰＮ結的形成動畫動畫２、ＰＮ結的單向導電性

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(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

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(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–動畫動畫PN結變寬PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

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(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動畫動畫３、ＰＮ結的電流方程常溫下，即Ｔ=300Ｋ時，ＵＴ≈26mＶ。４、ＰＮ結的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿：齊納擊穿雪崩擊穿５、ＰＮ結的電容效應PN結的結電容Ｃj=Ｃb+Ｃd

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖如下圖。(1)勢壘電容CB勢壘電容示意圖(2)擴散電容CD

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。

擴散電容示意圖反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖所示。擴散電容CD當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。