清华模电数电课件第2讲 半导体基础知识

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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

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一、本征半导体1、什么是半导体？什么是本征半导体？导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 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--硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 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

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2、本征半导体的结构共价键

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。 一定温度下，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。

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3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。 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。 热力学温度0K时不导电。 载流子

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二、杂质半导体1. N型半导体多数载流子 杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多， 多子浓度越高，导电性越强， 实现导电性可控。

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磷(P)

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2. P型半导体

多数载流子

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P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，

硼(B)

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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。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 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。

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1、PN结的形成由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动

因电场作用所产生 的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡，就形成了PN结。

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2、PN结的单向导电性

PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加 剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于导通 状态。

PN结加反向电压截止： 耗

尽层变宽，阻止扩散运动， 有利于漂移运动，形成漂移电 流。由于电流很小，故可近似 认为其截止。

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4、PN结的电流方程PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：qu

i I s ( e kT 1 )

IS为反向饱和电流，q为电子的电量，k为波尔兹曼常 数，T为热力学温度。 将上式中kT/q用UT取代，则得u

i Is( e

UT

1)

常温下，即T=300K时，UT≈26mV 当PN结外加正向电压，且u>>UT时，i ≈ISeu/UT 当PN结外加反向电压，且|u|>>UT时，i ≈-IS

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四、PN结的电容效应1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 结电容：C j Cb Cd

结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！