模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：第2講 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1、第二講第二講 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識第二講第二講 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、三、PNPN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运摹⑺?、PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)一、一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。無雜質(zhì)無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體是本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？ 導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬

2、元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導(dǎo)子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導(dǎo)電。電。 半導(dǎo)體硅（半導(dǎo)體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。1、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有

3、足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。的濃度加大。載流子載流子 外加電場時，帶負電的自由電外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，子和帶正電

4、的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。目很少，故導(dǎo)電性很差。 溫度升高，熱運動加劇，載流溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。子濃度增大，導(dǎo)電性增強。 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。時不導(dǎo)電。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體5磷（磷（P） 雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，流子導(dǎo)電。摻入雜

5、質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？多了？少了？為什么？2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強，導(dǎo)電性越強， 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？子濃度的變化相同嗎？三

6、、三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。擴散運動擴散運動P區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠高濃度遠高于于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P區(qū)。區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場，不利于擴散運動的繼區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場，不利于擴散運動的繼續(xù)進行。續(xù)進行。PN結(jié)的形成結(jié)的形成 因電場作用所產(chǎn)生因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。的運動稱為漂

7、移運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。結(jié)。漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運動。區(qū)運動。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴散運動加耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，成擴散電流，PNPN結(jié)處于導(dǎo)

8、通結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似認為其截止。認為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦郧迦A大學(xué) 華成英 四、四、PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)1. 勢壘電容勢壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容擴散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和流子的濃度及其梯度均