第2讲 半导体基础知识-wang.pptVIP

第二讲 半导体基础知识 第二讲 半导体基础知识 一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应 一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶、陶瓷、塑料和石英等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体－－另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。最外层轨道上的电子称为价电子 + + Si Ge 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 Si Si Si Si 价电子 相邻原子由外层电子形成共价键 形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。 在绝对温度T=0°K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体 2、本征半导体的结构 由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 共价键 一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。 本征激发（热激发） 自由电子 带负电荷 电子流 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 E ＋ － 载流子 空穴 带正电荷 空穴流 3、本征半导体中的两种载流子 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 ＋ 总电流 在外电场作用下，自由电子作定向运动形成的电子电流 仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流 在半导体中同时存在自由电子和空穴两种载流子参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。 本征半导体中载流子数目极少，其导电性能极差，而且受温度的影响很大。 半导体中的两种电流 二、杂质半导体 1. N型半导体 磷（P） 多数载流子 杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，因此与本征激发不同，它不会产生空穴。 多余电子 在 N 型半导体中自由电子是多数载流子(多子)，空穴是少数载流子（少子）。 2. P型半导体 硼（B） 多数载流子 在 P 型半导体中空穴是多数载流子(多子)，自由电子是少数载流子（少子）。 少子浓度——与温度有关 多子浓度——约为杂质浓度，与温度无关 三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。 扩散运动 P区空穴浓度远高于N区。 N区自由电子浓度远高于P区。 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。 空间电荷区 随着扩散运动的进行，内电场逐步加强。 而内电场的存在会阻遏扩散运动，加强漂移运动 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区，也就是PN结，又叫耗尽层。 P区 N区 空间电荷区 扩散 扩散 复合 内电场 在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P区 N区 空间电荷区 扩散 扩散 内电场 漂移 漂移 少子漂移 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结 多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 促使 阻止 1.PN结的形成 PN 结变窄 P接正、N接负 IF 外电场和内电场方向相反内电场被削弱，扩散漂移，形成较大的扩散电流。 PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大