《电子技术基础》-曾令琴-教学课件-5068

＋ ＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发 本征激发。 本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产 生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带 正电荷的离子。 由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参 与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。
半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理 内部的导电机理所决定的。
半导体基础与常用器件
电子技术基础
3. 本征半导体
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，即每个原子最外层电子数为4个。
+
Si(硅原子)
Si +4 Ge +4
+
Ge(锗原子)
因为原子呈电中性， 因为原子呈电中性，所 以简化模型图中的原子 核只用带圈的+4 +4符号表 核只用带圈的+4符号表 示即可。 示即可。
半导体基础与常用器件
电子技术基础 2. 半导体的独特性能 金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝 缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率 则在10-9~102s/cm量级。 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导 体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的： 光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强； 光敏性 热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大； 热敏性 掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 掺杂性 能力极大地增强；
半导体基础与常用器件
电子技术基础
＋4 ＋4 ＋4
＋4
＋4
＋4
自由电子载流子运动可以形 容为没有座位人的移动；空穴 载流子运动则可形容为有座位 的人依次向前挪动座位的运动。 半导体内部的这两种运动总是 共存的，且在一定温度下达到 动态平衡。
＋4
＋4
＋4
半导体的导电机理
半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别： 金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中 则是由本征激发产生的自由电子和复合运动产生的空穴两种 载流子同时参与导电 同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，电 流的方向为空穴载流子的方向即自由电子载流子的反方向。
PN结的单向导电性
PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单 单 向 导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。 导电性
PN结中反向电流的讨论
由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而 且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加 电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。反 向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对 反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断 反向阻断作用。 值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致 电子—空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增 长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设 计电路时，必须考虑温度补偿问题。
何谓杂质半导体中的多子 和少子 ？N型半导体中的多
子是什么？少子是什么？ 子是什么？少子是什么？ 自由电子导电和空 穴导电的区别在哪 里？空穴载流子的 形成是否由自由电 子填补空穴的运动 形成的？ 形成的？
P型半导体中的空穴 型半导体中的空穴 多于自由电子， 多于自由电子，是否 意味着带正电？
半导体基础与常用器件
一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数 载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体 的导电能力可增强几十万倍。 掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自 由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。 在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电 子，而不能移动的离子带负电。
N区
内电场
半导体基础与常用器件
电子技术基础 动画演示
半导体基础与常用器件
电子技术基础 PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的 漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结 果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了 少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界 面上N区失去的电子，同时， N区的少子空穴向P区漂移， 补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空 间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。 PN 最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的 宽度基本稳定，即PN结形成。
半导体基础与常用器件
电子技术基础
＋4 受光照或温度 上升影响， 上升影响，共 价键中其它一 些价电子直接 跳进空穴 空穴， 跳进空穴，使 失电子的原子 重新恢复电中 性。 ＋4 ＋4 此时整个晶 体带电吗？ 体带电吗？ 为什么？ 为什么？
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
价电子填补空穴的现象称为复合 复合。 参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的 空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价 电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同 于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子 载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空 穴载流子运动。
＋
原子核
内部几乎没有自由电子， 因此不导电。
半导体基础与常用器件
电子技术基础
（3） 半导体 ）
半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自 由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的 导电能力也是介于导体和绝缘体之间。 常用的半导体材料有硅、锗、硒等。
半导体的特点：
＋
原子核
导电性能介于导体和绝缘体之 间，但具有光敏性、热敏性和参 杂性的独特性能，因此在电子技 术中得到广泛应用。
硅原子和锗原子的简化模型图
半导体基础与常用器件
电子技术基础 天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经 过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。
晶格结构
＋4 ＋4 ＋4
实际上半导体的 晶格结构是三维 的。
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
共价键结构
本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元 素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格 结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四 共价键结构。 个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构
半导体基础与常用器件
电子技术基础
从共价键晶格结 构来看， 构来看，每个原 子外层都具有8 子外层都具有8个 价电子。但价电 价电子。 子是相邻原子共 用，所以稳定性 并不能象绝缘体 那样好。 那样好。 ＋4
＋ ＋4
＋4
在游离走的价电子原 位上留下一个不能移 动的空位，叫空穴。 动的空位，叫空穴。 受光照或温度上升 影响， 影响，共价键中价电 子的热运动加剧， 子的热运动加剧，一 些价电子会挣脱原子 核的束缚游离到空间 成为自由电子 自由电子。 成为自由电子。
半导体基础与常用器件
电子技术基础
4. 本征半导体
本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数 量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量 杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。
＋4 ＋4 ＋4
+
P ＋4 ＋4 ＋4
五价元素磷(P)
＋4 ＋4 ＋4
掺入磷杂质的硅半 导体晶格中， 导体晶格中，自由 电子的数量大大增 因此自由电子 加。因此自由电子 是这种半导体的导 是这种半导体的导 电主流。 电主流。
PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。 但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和 电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。
半导体基础与常用器件
电子技术基础
4. PN结的单向导电性
半导体基础与常用器件
电子技术基础
PN结反向偏置时的情况
半导体基础与常用器件
电子技术基础
电子技术基础
5. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导 体器件的“元概念”和技术起始点。
PN结的形成 结的形成
空间电荷区
－ － － － + + + + + + +
P区
－ － －
+ + + － － － 在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷 + + + － － － － － － + + +
半导体基础与常用器件
电子技术基础 1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度 非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很 大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓 学习与归纳 度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。
2. 半导体受温度和光照影响，产生本征激发现象而出现电子、空 穴对；同时，其它价电子又不断地 “转移跳进”本征激发出现 的空穴中，产生价电子与空穴的复合。在一定温度下，电子、空 穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下，半导体 中的载流子浓度一定，即反向电流的数值基本不发生变化。 3. 空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩 散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空 间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。 4. PN结的单向导电性是指：PN结正向偏置时，呈现的电阻很小 几乎为零，因此多子构成的扩散电流极易通过PN结；PN结反向 偏置时，呈现的电阻趋近于无穷大，因此电流无法通过被阻断。
半导体基础与常用器件
电子技术基础 不论是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的 移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的 数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。 一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。