第二讲第二讲 半导体基础知识半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应清华模电数电课件第2讲半导体基础知识一、一、本征半导体本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？、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。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。电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），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。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。清华模电数电课件第2讲半导体基础知识2、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，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。的浓度加大。清华模电数电课件第2讲半导体基础知识载流子载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。子浓度增大，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。清华模电数电课件第2讲半导体基础知识二、杂质半导体 1. N型半导体型半导体磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。实现导电性可控。多数载流子多数载流子清华模电数电课件第2讲半导体基础知识2. P型半导体型半导体硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，清华模电数电课件第2讲半导体基础知识三、三、PN结的形成及其单向导电性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。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、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。续进行。清华模电数电课件第2讲半导体基础知识1、PN结的形成结的形成 因电场作用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。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，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，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内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。内电场使空穴从电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、区、自由电子从自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。清华模电数电课件第2讲半导体基础知识PN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。2、PN结的单向导电性结的单向导电性清华模电数电课件第2讲半导体基础知识4、PN结的电流方程结的电流方程PN结所加端电压结所加端电压u与流过它的电流与流过它的电流i的关系为：的关系为：IS为反向饱和电流，为反向饱和电流，q为电子的电量，为电子的电量，k为波尔兹曼常为波尔兹曼常数，数，T为热力学温度。为热力学温度。将上式中将上式中kT/qkT/q用用U UT T取代，则得取代，则得常温下，即常温下，即T=300KT=300K时，时，U UT T26mV当当PN结外加正向电压，且结外加正向电压，且uUT时，时，i ISeu/UT当当PN结外加反向电压，且结外加反向电压，且|u|UT时，时，i -IS清华模电数电课件第2讲半导体基础知识四、四、PN结的电容效应结的电容效应1. 势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生结外加电压变化时，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电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流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放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！程度，则失去单向导电性！清华模电数电课件第2讲半导体基础知识