1-半导体的基本知识与PN结

半导体物理学中的pn结半导体物理学是研究半导体材料和器件的特性及其应用的科学领域。

而其中一个核心概念便是pn结，它是一种半导体器件中常见的结构。

本文将介绍pn结的基本原理、特性和应用。

一、pn结的构成pn结由p型半导体和n型半导体直接接触形成。

p型半导体是掺入了三价杂质的半导体，如掺入硼或铝，带有多余的电子空穴。

n型半导体则是掺入了五价杂质的半导体，如掺入砷或磷，带有过剩的自由电子。

当这两种半导体相结合时，空穴和自由电子会通过碰撞重组，形成一个带电的区域，即结区。

二、pn结的工作原理在pn结中，有两个关键区域：n端和p端。

n端富含自由电子，而p端则富含电子空穴。

由于电荷差异，电子和空穴会相互扩散到对方的区域，形成漂移电流。

同时，当电子和空穴通过重组而消失时，会形成一个正电荷层和一个负电荷层。

这就是常说的耗尽区。

在平衡状态下，耗尽区的正电荷层和负电荷层正好平衡，称为开路状态。

而当外加电压施加在pn结上时，会改变耗尽区的电荷分布。

当施加的电压为正向偏置时，p端连接的电源的正极与n端连接的电源的负极，会加大耗尽区的宽度，减小耗尽区正负电荷层的高度，这就形成了导通状态。

反过来，当施加的电压为反向偏置时，p端连接的电源的负极与n端连接的电源的正极，会增大耗尽区的宽度和正负电荷层的高度，这就形成了截止状态。

三、pn结的特性1. 双向导电性：pn结在正向偏置下会导电，形成导通状态。

而在反向偏置下则会截止，不导电。

这种特性使得pn结成为一种可控制的电子器件。

2. 整流性：由于pn结的双向导电性，它可以用于整流电路。

在正向偏置下，电流可以流过pn结，而在反向偏置下则会被截止。

3. 光电效应：当光照射到pn结上时，通过光电效应，光子能量会被转化为电能。

这使得pn结广泛应用于光电器件，如太阳能电池。

四、pn结的应用1. 整流器件：如二极管和整流电路，用于将交流电转换为直流电。

2. 放大器件：如晶体管，能够放大信号，实现电子设备的放大功能。

1-1半导体的基本知识课 题：半导体基本知识教学目的、要求：1、了解半导体的导电特性； 2、掌握PN 结及其单向导电性。

教学重点、难点：1、PN 结形成的过程；（难点） 2、PN 结的单向导电性。

（重点） 授 课 方 法：多媒体课件讲授，提纲及重点板书。

授 课 提 纲：教 学 内 容： 组织教学准备教学材料，清点学生人数。

（课前2分钟） 引入新课半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。

常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。

半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。

从本节课开始，我们先从半导体的基本知识开始，介绍常用的半导体器件。

要求大家本征半导体的特点，掌握PN 结的形成及单向导电性。

（2分钟） 进入新课第一章 常用半导体器件§1-1 半导体的基本知识【板书】一、什么是半导体【板书】1、物质按导电能力的分类【标题板书+内容多媒体】（8分钟）自然界中的物质按其导电能力可以分为三大类：导体、绝缘体和半导体。

物质的导电特性取决于原子结构。

⑴导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。

因此在外电场作用下，这些电子产生定向移动形成电流，呈现出较好的导电特性。

⑵绝缘体：高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶，塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。

⑶半导体：半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚,成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因此，半导体的导电特性介于二者之间。

半导体有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）及金属的氧化物和硫化物。

最常用的是硅和锗。

2、半导体的特点【标题板书+内容多媒体】（5分钟）半导体之所以被用来制造电子元器件，不是在于它的导电能力处于导体与绝缘体之间，而是由于它的导电能力在外界某种因素作用下发生显著的变化，这种特点表现如下：⑴半导体的电导率可以因为加入杂质而发生显著的变化。

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。

半导体中pn结的形成及工作原理下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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半导体基础--PN结介绍PN结之前先了解N型半导体和P型半导体：N型半导体：在本征半导体（⾮常纯净的半导体单晶）中掺⼊五价的元素（如磷），⽤⼀个五价元素的原⼦代替⼀个四价元素的原⼦在晶体中的位置。

由于掺⼊的五价元素的原⼦很容易贡献出⼀个⾃由电⼦，所以把它称为“施主原⼦”。

五价元素的原⼦提供⼀个⾃由电⼦后，本⾝变成正离⼦，但在它周围的共价键中没有空位，所以并不产⽣新的空⽳，这与本征激发产⽣的⾃由电⼦不同。

在掺⼊五价元素的半导体中，除了五价元素的原⼦提供的⼤量⾃由电⼦外，还同时存在由本征激发产⽣的电⼦－空⽳对，此时，⾃由电⼦的浓度远远⼤于空⽳的浓度，这种杂质半导体的导电主要以⾃由电⼦导电为主，因⽽称为电⼦型半导体，或N型半导体。

在N型半导体中，⾃由电⼦是多数载流⼦，简称多⼦；空⽳是少数载流⼦，简称少⼦。

简记：N是Negative，掺5价元素，多⼦是电⼦，少⼦是空⽳。

（Negative表⽰负，⽽电⼦带负电，所以电⼦是多⼦，空⽳是少⼦）P型半导体：在本征半导体中掺⼊三价元素（如硼），⽤⼀个三价元素的原⼦代替⼀个四价元素的原⼦在晶体中的位置。

三价原⼦的三个价电⼦和四价原⼦中的三个价电⼦分别形成共价键结构，因缺少⼀个电⼦，在晶体中会出现⼀个空位。

这个空位会吸引附近原⼦的价电⼦；得到电⼦的硼原⼦，变成不能移动的负离⼦，⽽原来的硅原⼦因少了⼀个价电⼦，形成了空⽳。

此时，空⽳的形成，并没有等量的⾃由电⼦产⽣，这和本征激发产⽣的空⽳不同。

在掺⼊三价元素的杂质半导体中，还同时存在由本征激发产⽣的电⼦－空⽳对。

此时，在半导体中，空⽳的浓度远远⼤于⾃由电⼦的浓度，⽽半导体的导电主要以空⽳导电为主，因⽽称为空⽳型半导体，或P型半导体。

在P型半导体中，空⽳是多数载流⼦，⾃由电⼦是少数载流⼦。

简记：P是Positive，掺3价元素，多⼦是空⽳，少⼦是电⼦。

（Positive表⽰正，⽽空⽳带正电，所以空⽳是多⼦，电⼦是少⼦）1.PN结的形成：在同⼀块半导体的两个不同区域分别掺⼊三价和五价的杂质元素，⼀端成为P型半导体，另⼀端成为N型半导体；这两种半导体紧密地接触在⼀起，便形成了PN结。

半导体与PN结的特性半导体材料是一种在电学行为上介于导体和绝缘体之间的材料。

它具有一些独特的特性，其中一个重要的特性是PN结。

一、半导体的特性半导体的特性主要包括：1. 导电性：半导体在特定条件下能够导电。

半导体的导电性取决于其电子能带结构和掺杂材料类型。

2. 带隙：半导体具有较小的能带隙，即价带和导带之间的能量差。

能带隙的大小决定了半导体的导电性能。

3. 温度特性：半导体的电性质受温度的影响较大。

温度升高时，半导体的导电性会增加。

4. 灵敏度：半导体对光、温度和电磁场的变化具有较高的灵敏度，可以用于光电器件、传感器等应用。

二、PN结的特性PN结是由P型半导体和N型半导体通过接触形成的结。

PN结具有以下特性：1. 势垒：PN结有一个内置电场，形成一个势垒，导致P区与N区之间的电荷分布不均匀。

P区的多数载流子是空穴，N区的多数载流子是电子。

2. 正向偏置：当外加电压正向偏置PN结时，即P区连接正电压，N区连接负电压，势垒会减小，电子和空穴会在势垒区域内重新组合，形成电流通过。

3. 反向偏置：当外加电压反向偏置PN结时，即P区连接负电压，N区连接正电压，势垒会增大，形成一个较大的电阻，几乎没有电流通过。

4. 正向漏电流：正向偏置时，PN结会产生正向漏电流。

正向漏电流的大小与应用的电压和PN结的材料特性有关。

5. 反向击穿：反向偏置电压过高时，PN结会发生击穿现象，导致电流突然增大。

这种现象需要避免，以免损坏器件。

三、PN结的应用PN结由于其特性的调控和控制，被广泛应用于以下领域：1. 整流器：PN结具有整流作用，可以将交流电转换为直流电，广泛应用于电子设备的电源部分。

2. 放大器：PN结可以用作放大电路的基本元件。

通过合理的偏置和电路设计，可以放大输入信号的幅度。

3. 光电器件：PN结受光照射会产生电荷，用于太阳能电池、光电二极管等光电转换器件。

4. 传感器：PN结对温度、压力等外界环境变化非常敏感，可以用于传感器的制造。