半导体技术之-PN结基础知识

第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN 结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。

半导体器件是构成电子电路的基础。

半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。

顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。

1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。

通常将很容易导电、电阻率小于410-Ω•cm 的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω•cm 的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在410-Ω•cm ～1010Ω•cm 范围内的物质，称为半导体。

常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。

用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。

1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。

半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。

例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1／2。

而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10℃时，它的电阻率几乎不变。

2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。

一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。

自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。

而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。

3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。

在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之—。

半导体基础PN结与二极管的应用半导体技术是当代电子领域中最为重要的基础技术之一。

其中，PN 结和二极管作为半导体器件中的重要组成部分，发挥着至关重要的作用。

本文将介绍半导体基础PN结的原理及其在二极管中的应用。

一、半导体基础PN结原理PN结是由n型和p型半导体材料的结合而形成的。

其中，n型半导体与p型半导体的性质有着明显的区别。

1. n型半导体：在n型半导体中，材料中的杂质原子掺入了导电能力较强的杂原子，如磷（P）或砷（As）。

这些杂原子具有多余的电子，因此在外加电场的作用下，这些电子能够自由地移动，形成电流。

2. p型半导体：与n型半导体相反，p型半导体中的杂原子通常是掺入了硼（B）或铝（Al）等元素。

这些杂原子缺少电子，因此在外加电场的作用下，它们会吸引材料中的电子，形成称为“空穴”的空缺。

当n型半导体和p型半导体相互接触时，形成PN结。

由于电子流动的方向与空穴流动的方向相反，PN结会产生一个电场，这个电场阻碍电子和空穴的再次扩散。

由于这个电场，PN结具有单向导电性，即在正向偏置时能够导电，而在反向偏置时则不能导电。

二、二极管基于PN结的特性，可以制造出一种叫做二极管的器件。

二极管是半导体电子学中最简单也是最常用的器件之一。

它由一个PN结构成，具有两个引线（即正极和负极）。

1. 正向偏置二极管：在正向偏置情况下，即将正极连接到p区，负极连接到n区时，PN结处的电场会减小，从而使电子和空穴越过PN 结。

电流可以自由地流动，因此二极管可以导电。

2. 反向偏置二极管：在反向偏置情况下，即将正极连接到n区，负极连接到p区时，PN结处的电场会增大，从而阻碍电子和空穴的扩散。

此时，几乎没有电流通过二极管，因此二极管处于截止状态。

三、二极管的应用二极管由于其独特的特性，在电子领域中有广泛的应用。

1. 整流器：二极管可以用作整流器，即将交流信号转换为直流信号。

通过适当连接多个二极管，可以制造出多级整流电路，用于变压器和电源的设计。

pn结知识点归纳总结1. PN结的基本结构PN结的结构由N型半导体和P型半导体构成，N型半导体中电子浓度大，载流子主要为自由电子；P型半导体中正孔浓度大，载流子主要为正孔。

当N型半导体和P型半导体连接在一起时，由于扩散电子（来自N型半导体）和空穴（来自P型半导体）产生的载流子浓度差异，会在结附近形成电场，形成“势垒”。

2. PN结的形成原理PN结的形成原理主要包括扩散、漂移和复合过程。

（1）扩散过程：由于N型半导体中电子浓度大，P型半导体中正孔浓度大，在两者接触的区域，高浓度的电子和正孔会通过热激发和碰撞扩散到对方半导体中。

（2）漂移过程：在扩散过程中，载流子会受到电场的作用而发生漂移运动，形成电场。

（3）复合过程：当电子和正孔扩散到对方半导体中后，它们会发生复合，释放出能量，从而形成势垒。

3. PN结的电子学性质PN结在正向和反向偏置下的电子学性质不同。

（1）正向偏置：当PN结连接的端子电压为正向偏置时，P区的正电荷和N区的负电荷将被中和，减小势垒高度，电子和正孔将跨过势垒，导致电流流通，二极管处于导通状态。

（2）反向偏置：当PN结连接的端子电压为反向偏置时，P区的正电荷与N区的负电荷互相吸引，增大势垒高度，阻止电子和正孔跨过势垒，导致电流无法流通，二极管处于截止状态。

4. PN结的应用PN结广泛应用于各种半导体器件中，包括二极管、晶体管、光电二极管和太阳能电池等。

（1）二极管：二极管是最基本的半导体器件，由PN结构成。

它具有正向导电、反向截止的特性，可用于整流、开关和信号检测等电路中。

（2）晶体管：晶体管是一种三端口设备，由PNP或NPN结构构成。

它可以放大电流信号，用于放大器、开关和逻辑电路中。

（3）光电二极管：光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件，由PN结构成。

它广泛应用于光通信、光电传感器等领域。

（4）太阳能电池：太阳能电池是一种能够将太阳光能转换为电能的器件，由PN结构成。

第二章PN结1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触(原子级接触）所形成的结构.任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction），有时也叫做接触(contact）。

2。

PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。

除金属－半导体接触器件外,所有结型器件都由PN结构成。

3。

按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4。

空间电荷区:PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区.电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。

它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。

空间电荷存在的区域称为空间电荷区。

5. 内建电场:P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场—-空间电荷区电场,也叫内建电场。

PN结自建电场:在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场,电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。

大注入内建电场:在空穴扩散区(这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。

6. 内建电势差：由于内建电场,空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示).7。

费米能级:平衡PN结有统一的费米能级。

准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内,电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。

8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P正N负反偏压:P负N正9。

空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区:N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒.于是空间电荷区又叫做势垒区。

耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽,空间电荷仅由电离杂质提供。

这时空间电荷区又可称为“耗尽区”.中性区:PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区）。

耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。

10。

单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布11. 载流子载流子：能够导电的自由粒子。

半导体基础知识 ３．含有施主杂质浓度为N D =9ⅹ1015cm-3，及受主杂质浓度为N A ＝ 1.1ⅹ1016cm3，的硅在300K 时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。

（1031.510/i n cm =⨯）４．室温时的电导率。

又设电子和空穴迁移率分别为 1350cm 2/V·S 和500cm 2/V·S。

当掺入百万分之一的As 后，设杂质全部电离，试计算其电导率。

它比本征Si 的电导率增大了多少倍？ （已知硅的原子密度为5×1022cm-3,1031.510/i n cm =⨯）５．样品掺有8⨯1015磷原子cm -3和1.2⨯1016硼原子cm -3，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度及样品的电阻率。

（s V cm n ⋅≈/1350少子2μ，s V cm p ⋅≈/500多子2μ）６.积为10-3cm 2,掺有浓度为1013cm -3的p 型Si 样品，样品内部加有强度为103V/cm 的电场，求；室温时样品的电导率及流过样品的电流密度和电流强度。

ｐｎ结1. PN 结其参数为：N d =1×1016/cm 3，N a =5×1018/cm 3，1p n us ττ==，A=10-2cm -2。

2. 硅突变结的掺杂浓度为N a =2×1016 cm -3，N d =2×1015 cm -3，温度为T=300K 。

计算：（a ）V bi ，（b ）V R =0与V R =8V 时的W ，（c ）V R =0与V R =8V 时的最大电场。

3. 考虑T=300K 时的硅p+n 结。

V R =10V 条件下其最大电场被限制为E max =l06V ／cm 。

求n 区的最大掺杂浓度。

4. 考虑T= 300 K 时的硅p+n 结，N a =1018cm -3，N d =1016 cm -3。

少子空穴扩散系数为Dp=12 cm 2/s ，少子空穴的寿命为τp0=10-7s 。

PN接面及半导体基础知识pn结pn结（pn junction）採用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将p型半导体与n型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交介面就形成空间电荷区称pn 结。

pn结具有单向导电性。

p是positive的缩写，n是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。

一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是p型半导体，另一部分掺有施主杂质是n型半导体时，p 型半导体和n型半导体的交介面附近的过渡区称为pn结。

pn结有同质结和异质结两种。

用同一种半导体材料製成的 pn 结叫同质结，由禁频宽度不同的两种半导体材料製成的pn结叫异质结。

製造pn结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。

製造异质结通常採用外延生长法。

p型半导体（p指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴； n型半导体（n指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。

在 p 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。

在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。

n 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。

当p型和n型半导体接触时，在介面附近空穴从p型半导体向n型半导体扩散，电子从n型半导体向p型半导体扩散。

空穴和电子相遇而複合，载流子消失。

因此在介面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。

p 型半导体一边的空间电荷是负离子，n 型半导体一边的空间电荷是正离子。

正负离子在介面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。

在pn结上外加一电压，如果p型一边接正极，n型一边接负极，电流便从p 型一边流向n型一边，空穴和电子都向介面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。

如果n型一边接外加电压的正极，p型一边接负极，则空穴和电子都向远离介面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。