模電第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

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)體基本知識主要內(nèi)容1.1半導(dǎo)體材料1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(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)圖最外層電子稱價電子

價電子硅原子是4價元素

4價元素的原子通常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4(b)簡化模型電子技術(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)圖最外層也是四個價電子所以鍺原子也是4價元素鍺原子的簡化模型和硅相同+4(b)簡化模型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)簡化模型圖1硅和鍺的共價鍵結(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，束縛電子脫離共價鍵而形成自由電子，并在原來的位置上形成空穴的過程?？昭ǎ寒?dāng)電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，共價鍵中就留下一個空位，這個空位叫做空穴。半導(dǎo)體中有兩種載流子：帶負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出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。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)的運動，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)合運動會達到平衡，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＋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)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(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價元素（雜質(zhì)），如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價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雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，而五價雜質(zhì)原子因提供了自由電子故也稱為施主雜質(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價元素（雜質(zhì)），如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。因3價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。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。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(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)體的幾點說明摻入雜質(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)目要遠遠高于本征半導(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)的形成擴散運動：載流子從濃度較高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域的運動，形成的電流稱為擴散電流。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)過載流子的擴散和漂移，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。漂移運動：在電場力的作用下，載流子從濃度低的區(qū)域向濃度高的區(qū)域的定向運動，形成的電流稱為漂移電流。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動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E圖7載流子的擴散和漂移運動空間電荷區(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動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結(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動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E當(dāng)擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡時，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。此時PN結(jié)達到動態(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)加負電壓。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，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、N區(qū)加正電壓。當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，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)電場減弱，使擴散加強，擴散飄移，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級內(nèi)電場加強，使擴散停止，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)加負電壓。PN結(jié)加正向電壓

導(dǎo)通

PN結(jié)