半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)與PN結(jié)

1、第一章第一章 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 第二第二節(jié)節(jié) PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?第三節(jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 第四節(jié)第四節(jié) 雙極性三極管雙極性三極管 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)一、半導(dǎo)體概念一、半導(dǎo)體概念導(dǎo)體：導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)導(dǎo) 體體， 金屬一般都是導(dǎo)體。金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體絕緣體， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特

2、性處于導(dǎo)體和絕 緣體之間，稱為緣體之間，稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體， 如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：1.摻雜性摻雜性 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。電能力明顯改變。2.熱敏性和光敏性熱敏性和光敏性 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。變化。三、三、 本征半導(dǎo)體本征

3、半導(dǎo)體（純凈和具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體）（純凈和具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體）1、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺硅和鍺，它們的最外，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。GeGeSiSi+4+4+4+4+4+4+4+4+4 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)體稱為本征半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 將硅或鍺材料提將硅或鍺材料提純便形成單晶體，純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為它的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。價(jià)價(jià)電電子子共共價(jià)價(jià)鍵鍵圖圖 1.1.1本征半

4、導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖2、本征半導(dǎo)體的、本征半導(dǎo)體的晶體晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度當(dāng)溫度 T = 0 K 時(shí)，半導(dǎo)時(shí)，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。體不導(dǎo)電，如同絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖圖 1.1.2本征半導(dǎo)體中的本征半導(dǎo)體中的 自由電子和空穴自由電子和空穴自由電子自由電子空穴空穴 若若 T ，將有少數(shù)價(jià)，將有少數(shù)價(jià)電子克服共價(jià)鍵的束縛成電子克服共價(jià)鍵的束縛成為為自由電子自由電子，在原來的共，在原來的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位價(jià)鍵中留下一個(gè)空位空穴?？昭ā 自由電子自由電子和和空穴空穴使使本本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成帶正電的空

5、穴可看成帶正電的載流子。載流子。3、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子中的兩種載流子（動(dòng)畫1-1） （動(dòng)畫1-2）4、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。 溫度越高，載流子的濃度越高溫度越高，載流子的濃度越高,因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電因此本

6、征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，能力越強(qiáng)，溫度溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。四、四、 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。 雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1、 N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5

7、價(jià)價(jià)雜質(zhì)元素，如雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (或稱電子型或稱電子型半導(dǎo)體半導(dǎo)體) )。自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度電子稱為多數(shù)載流子電子稱為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子簡(jiǎn)稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子空穴稱為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子簡(jiǎn)稱少子)。(本征半導(dǎo)體摻入本征半導(dǎo)體摻入 5 價(jià)元素后，原來價(jià)元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有替。雜質(zhì)原子最外層有 5 個(gè)價(jià)電子，個(gè)價(jià)電子，其中其中 4 個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫個(gè)電

8、子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。下即可成為自由電子。)2、 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價(jià)價(jià)雜質(zhì)元素，如雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(或稱空穴型半導(dǎo)或稱空穴型半導(dǎo)體）體）?？昭舛榷嘤谧杂呻娮訚舛瓤昭舛榷嘤谧杂呻娮訚舛瓤昭槎鄶?shù)載流子空穴為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子），簡(jiǎn)稱多子）， 電子為少數(shù)載流子電子為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子簡(jiǎn)稱少子)。+3(本征半導(dǎo)體摻入本征半導(dǎo)體摻入 3 價(jià)元素后，原來價(jià)元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有替

9、。雜質(zhì)原子最外層有 3 個(gè)價(jià)電子，個(gè)價(jià)電子，3與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)空穴。與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)空穴。)說明：說明：1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決摻入雜質(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。定少數(shù)載流子的濃度。3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性電中性。 4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)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。體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。( (a) )N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (b) ) P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體圖圖 雜質(zhì)

10、半導(dǎo)體的的簡(jiǎn)化表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡(jiǎn)化表示法 在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導(dǎo)體，另型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為一側(cè)摻雜成為 N 型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，一個(gè)特殊的薄層，稱為稱為 PN 結(jié)結(jié)。 PNPN結(jié)結(jié)圖圖 PN 結(jié)的形成結(jié)的形成一、一、PN 結(jié)的形成結(jié)的形成1.2PN結(jié)結(jié) PN 結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN1. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)電 子 和 空 穴電 子 和 空 穴濃度差形成濃度差形成多數(shù)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)

11、載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。 PN 結(jié)，耗結(jié)，耗盡層。盡層。PN （動(dòng)畫1-3）3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)PN空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)Uho空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 Uho 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)； 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層阻擋層。4. 漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)有利內(nèi)電場(chǎng)有利于少子運(yùn)動(dòng)于少子運(yùn)動(dòng)漂漂移。移。 少子的運(yùn)動(dòng)少子的運(yùn)動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方向與多子運(yùn)動(dòng)方向相反相反 阻擋層阻擋層5. 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減小；擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減小；隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，漂

12、移運(yùn)動(dòng)逐漸增加；隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，PN 結(jié)總的電流等于零，結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定?？臻g電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。即即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，形成PN結(jié)。結(jié)。PNPN結(jié)結(jié)1. 外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)又稱正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。又稱正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。外電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向耗盡層耗盡層VRI空間電荷區(qū)變窄，有利空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。較大的正向電流。圖圖 1.1.6P

13、N什么是什么是PN結(jié)的單向結(jié)的單向?qū)щ娦?？?dǎo)電性？有什么作用？有什么作用？在在 PN 結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。2. 外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)( (反偏反偏) )反向接法時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)反向接法時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用；電場(chǎng)的作用；外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬；外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向

14、電流散電流，電路中產(chǎn)生反向電流 I ；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。耗盡層耗盡層圖圖 1.1.7PN 結(jié)加反向電壓時(shí)截止結(jié)加反向電壓時(shí)截止 反向電流又稱反向電流又稱反向飽和電流反向飽和電流。對(duì)溫度十分敏感對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度升高，隨著溫度升高， IS 將急劇增大將急劇增大。PN外電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向VRIS3、結(jié)論、結(jié)論(1) 加正向電壓（正偏）加正向電壓（正偏）電源正極接電源正極接P區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接N區(qū)區(qū)(2) (2) 加反向電壓（反偏）加反向電壓（反偏）電源正極接電源正極接N區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接P區(qū)區(qū) PN

15、結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，電阻， PN結(jié)導(dǎo)通；結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，高電阻， PN結(jié)截止結(jié)截止 由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。結(jié)具有單向?qū)щ娦浴? 3半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而_，金屬導(dǎo)體的電，金屬導(dǎo)體的電阻率隨溫度升高而阻率隨溫度升高而_。 A A降低降低降低降低 B B降低升高降低升高 C C升高降低升高降低 D D升高升高升高升高1 1用于制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料是用于制

16、造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料是_。 A A磷磷 B B硅硅 C C銦銦 D D鍺鍺B、D2 2在純凈半導(dǎo)體中摻入在純凈半導(dǎo)體中摻入3 3價(jià)元素形成的是價(jià)元素形成的是_型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 A AP BP BN CN CPN DPN D電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電A AD D4 4半導(dǎo)體的載流子隨溫度升高而半導(dǎo)體的載流子隨溫度升高而_，也就是說半導(dǎo)體，也就是說半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨溫度升高而的導(dǎo)電性能隨溫度升高而_。 A A減小增強(qiáng)減小增強(qiáng) B B減小減弱減小減弱 C C增加減弱增加減弱 D D增加增強(qiáng)增加增強(qiáng)D D課堂鞏固練習(xí)課堂鞏固練習(xí)7 7P P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是_。 A A電子

17、電子 B B空穴空穴 C C電荷電荷 D D電流電流5 5半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同條件下有很大差別，若半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同條件下有很大差別，若_導(dǎo)電能力會(huì)減弱導(dǎo)電能力會(huì)減弱 A A摻雜非金屬元素?fù)诫s非金屬元素 B B增大光照增大光照 C C降低環(huán)境溫度降低環(huán)境溫度 D D摻雜金屬元素?fù)诫s金屬元素C6 6在在PNPN結(jié)的兩端通過一塊電流表短接，回路中無其它電源，結(jié)的兩端通過一塊電流表短接，回路中無其它電源，當(dāng)用光照射該半導(dǎo)體時(shí)，電流表的讀數(shù)是當(dāng)用光照射該半導(dǎo)體時(shí)，電流表的讀數(shù)是_。 A A增大增大 B B減小減小 C C為零為零 D D視光照強(qiáng)度而定視光照強(qiáng)度而定B B8 8N N型半導(dǎo)體中的多

18、數(shù)載流子是型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是_。 A A自由電子自由電子 B B空穴空穴 C C電荷電荷 D D電流電流A AC C9 9在晶體硅、鍺中，參于導(dǎo)電的是在晶體硅、鍺中，參于導(dǎo)電的是_。 A A離子離子 B B自由電子自由電子 C C空穴空穴 D DB B和和C CD D1010在半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，半導(dǎo)體中出現(xiàn)的電流是在半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，半導(dǎo)體中出現(xiàn)的電流是_。 A A自由電子電流自由電子電流 B B空穴電流空穴電流 C C離子電流離子電流 D DA A和和B BD 11 11關(guān)于關(guān)于P P型、型、N N型半導(dǎo)體內(nèi)參與導(dǎo)電的粒子，下列說法正型半導(dǎo)體內(nèi)參與導(dǎo)電的粒子，下列說法正確的是確的是_。 A A無論是無論是P P型還是型還是N N型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的都是自由電型半導(dǎo)體，參與導(dǎo)電的都是自由電子和空穴子和空穴 B BP P型半導(dǎo)體中只有空穴導(dǎo)電型半導(dǎo)體中