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第一章半导体物理基础

一、半导体基础知识

半导体是电子电路元器件的主要材料，其导电性能介于导体与绝缘体之间，

具有特殊的导电性质。

1.本征半导体

本征半导体是完全纯净、结构完整的半导体晶体。

2.杂质半导体

杂质半导体是掺入杂质元素的半导体。价电子数多于半导体元素的杂质称为

施主杂质，少于半导体元素的杂质称为受主杂质，相应的元素分别称为施主元素

与受主元素。掺入施主杂质的杂质半导体称为电子型半导体或N型半导体，掺

入受主杂质的杂质半导体称为空穴型半导体或P型半导体。杂质半导体中数量多

的那种载流子称为多子，另一种数量少的载流子称为少子，N型半导体中自由电

子是多子，空穴是少子，P型半导体中自由电子是少子，空穴是多子。

3.载流子在半导体中的运动

载流子在半导体中有两种运动方式，漂移运动和扩散运动。漂移运动是载流

子在外加电场力作用下沿电场方向的定向运动，由漂移运动产生的电流叫漂移电

流。漂移电流等于空穴与自由电子运动产生的电流之和。扩散运动是载流子在浓

度差的作用下产生的定向运动，由扩散运动产生的电流叫扩散电流。

二、PN结

1.PN结的形成过程

N型半导体和P型半导体的交界面处会产生PN结。其形成机理为：P型区

到N型区的过渡带两边浓度差很大，形成的扩散运动使过渡区域产生强烈的复

合作用，产生一个空间电荷区，也叫耗尽区，扩散运动使过渡带内产生电位差和

电场，称为接触电位差和内建电场，内建电场由N型区指向P型区，阻碍多子

的扩散运动，促进过渡带中少子的漂移运动，当两者速度相等达到平衡状态后，

过渡带中的接触电位差、内建电场强度、空间电荷区宽度均处于稳定值，PN结

形成。P、N的过渡带称为PN结，其宽度等于耗尽区的宽度。

2.PN结的伏安特性

PN结的正偏（正向偏置）是指两端电压正极接在P区，负极接在N区，反

之则称为反偏（反向偏置）。正偏时PN结中会有较大的正向电流，且随着正偏

电压增大迅速增大，一般认为正偏时PN是导通的，电阻很小。反偏时PN结中

只有很小的反向电流通过，在很大范围内随着反偏电压增大，反向电流变化不明

显，具有与少子浓度关系较大的反向饱和电流，其数值很小，一般认为PN结在

反偏下截止，电阻无穷大，相当于绝缘体，可以等效为电容，称为结电容。当反

偏大到一定数值时，PN结中的电流会突然增大，此时PN结被击穿。击穿分为

齐纳击穿和雪崩击穿。当PN结因电流电压过大产生的热量烧毁时称为热击穿。

I

OU

图1PN结的伏安特性

3.PN结和半导体二极管

在PN结的两端引出两根金属导线作为电极就构成了半导体二极管，这两根

导线也叫欧姆接触电极。二极管按制作结构可分为点接触型和面接触型，分别适

用于高频小电流和低频大电流。二极管的伏安特性呈非线性，其电阻非定值，把

二极管伏安特性曲线上各点的电压和对应电流的比值定义为二极管的等效直流

电阻。为描述二极管在交流电压下的电阻特性，定义二极管的交流（动态）电阻

为：对于选定的直流工作点Q点，二极管在Q点的交流电阻定义为Q点附近二

极管两端电压变化和电流变化的比值，可以用静态电流来估算。高频时二极管的

结电容不可忽略。二极管的结电容包括势垒电容和扩散电容。利用势垒电容可以

制成变容二极管，相当于电压控制的可变电容器。二极管正向压降和反向饱和电

流均随温度变化而有较大变化，可用于制作温度传感器。此外二极管还有最大正

向电流、反向击穿电压、反向电流、最高工作频率等参数。特殊功能的二极管包

括反向击穿状态工作的稳压二极管、利用砷化镓或磷化镓等材料制成的发光二极

管以及反偏状态感光的光电二极管等。

二极管的伏安特性呈非线性，所以二极管的电阻不是一个定值，如下图，我

们把二极管伏安特性曲线上各点的电压V和对应的电流I的比值定义为二极管

DD

的等效直流电阻R，即：

D

V