第一章常用的半導體器件1.1半導體基礎知識①導體：非常容易導電一般金屬都是導體②絕緣體：基本不導電如：橡膠、陶瓷、塑料等③半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間其最外層電子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。高價元素，原子的最外層電子受原子核的束縛力很強常用的硅、鍺均為四價元素結構：低價元素，最外層電子少于4個1.1.1本征半導體現代電子學中，用的最多的半導體材料是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi通過一定的提純工藝過程，可以將半導體制成晶體。完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。即本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。硅和鍺的晶體結構一、本征半導體的晶體結構

晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，形成本征半導體的共價鍵結構。共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子

常溫下價電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，本征半導體的導電能力很弱。

溫度升高或受到光的照射時，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。+4+4+4+4自由電子(帶負電）空穴原子帶正電空穴帶正電

半導體在熱激發下產生自由電子和空穴對的現象稱為本征激發。因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。本征半導體外加電場：①自由電子定向移動，形成電子電流②價電子依次填補空穴，空穴定向移動，形成空穴電流本征半導體電流是兩個電流之和。本征半導體中有兩種載流子，自由電子和空穴均參與導電。特殊性質電子空穴對D:\模電\第1章常用半導體器件\動畫\電子空穴對的產生.avi的產生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半導體中載流子的濃度

一定溫度下，本征半導體中載流子的濃度是一定的，且自由電子與空穴的濃度相等。

溫度升高，熱運動加劇，自由電子增多，空穴也隨之增多，即載流子的濃度升高，導電性能增強。本征半導體載流子的濃度是環境溫度的函數。T=0K，自由電子與空穴的濃度均為零，本征半導體為絕緣體。本征半導體的導電性能很差，且與環境溫度密切相關。1.1.2雜質半導體在本征半導體中摻入摻入少量合適的雜質元素摻入五價元素（如磷）一、N型半導體+4+4+5+4多余電子

雜質原子最外層有五個價電子，除了與其它硅原子形成共價鍵，還多出一個電子。自由電子常溫下，熱激發正離子施主原子雜質原子可以提供電子，稱之為施主原子。N型半導體中的電子產生：1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產生的電子和空穴對。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度，主要靠自由電子導電。∴

N型半導體中：自由電子為多數載流子（多子），空穴為少數載流子（少子）。注：摻入雜質的濃度不同，導電性不同二、P型半導體

雜質原子最外層有三個價電子，與周圍原子形成共價鍵會形成空位。硅原子的外層電子來填補空位，在共價鍵中產生空穴。P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子。摻入三價元素（如硼）+4+4+3+4空穴受主原子雜質半導體簡化模型負電子（受主原子）P型半導體空穴自由電子正電子（施主原子）自由電子空穴N型半導體1.1.3PN結一、PN結的形成將P型半導體和N型半導體制作在同一硅片上

在P型半導體和N型半導體的交界面處，兩種載流子的濃度差很大，載流子進行擴散運動。P區的空穴向N區擴散N區的電子向P區擴散交界面處自由電子與空穴復合

P區出現負離子區，N區出現正離子區，它們是不能移動的，稱為空間電荷區。形成內電場，由N區指向P區。阻止多子擴散動畫：PN結的形成促使少子漂移最后多子擴散和少子的漂移達到動態平衡P型半導體和N型半導體結合面，形成PN結。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動空間電荷區擴散運動使空間電荷區逐漸變寬漂移運動使空間電荷區逐漸變窄擴散電流等于漂移電流，PN結內沒有電流流過。

當擴散和漂移運動達到平衡后，空間電荷區的寬度和內電場電位就相對穩定下來。此時，有多少個多子擴散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結的電流為0。內電場空間電荷區耗盡層電子空穴P區N區二、PN結的單向導電性

在PN結的兩端外加電壓，破外原來的平衡狀態。①外加正向電壓電源正極接PN結的P端，負極接N端②外加反向電壓電源負極接PN結的P端，正極接N端P區的電位高于N區的電位，稱為正向偏置或正向接法。

(1)PN結加正向電壓時的導電情況

外加的正向電壓方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。

PN結加正向電壓時的導電情況如圖所示。

擴散電流源源不斷進行，形成正向電流，PN結導通。

(2)PN結加反向電壓時的導電情況

外加的反向電壓方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場阻止擴散運動進行，加劇漂移運動，形成反向電流。

在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。

PN結外加正向電壓，具有較大的正向擴散電流；由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流。現象：注：PN結導通時結壓降只有零點幾伏，所以應在它所在回路串聯一個電阻，以限制回路電流，防止PN結因正向電流過大而損壞。

1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質半導體中少子的數量與

。

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數量

。

（a.減少、b.不變、c.增多）abc思考題：三、PN結的電流方程

理論分析表明：PN結所加端電壓u與流過它的電流i的關系為：IS—反向飽和電流，q—電子的電量k—玻爾茲曼常數，T—熱力學溫度令UT=kT/q，則得：常溫下，即T=300K時，UT≈26mV。

當PN結外加正向電壓，且u>>UT時，即i隨u按指數規律變化；

當PN結外加反向電壓，且|u|>>UT時，四、PN結的伏安特性當反向電壓超過一定數值后，反向電流急劇增加，稱為反向擊穿。擊穿：齊納擊穿、雪崩擊穿i≈-IS①齊納擊穿②雪崩擊穿摻雜濃度越高，耗盡層寬度窄不大的反向電壓就可在耗盡層形成很強的電場，而直接破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛，產生電子—空穴對，致使電流急劇增大。∴齊納擊穿電壓較低，一般低于4V摻雜濃度較低，耗盡層寬度寬低電壓下不會發生齊納擊穿，當反向電壓增加到較大數值時，耗盡層的電場使少子加快漂移速度，從而與共價鍵中的價電子相碰撞，把價電子撞出共價鍵，產生電子—空穴對，新產生的電子與空穴被電場加速后又撞出其它價電子，載流子雪崩式地倍增，致使電流急劇增加。雪崩擊穿電壓一般大于6V

擊穿電壓介于4V~6V，齊納擊穿和雪崩擊穿有可能同時發生。

當電擊穿后，繼續提高反向電壓，流過PN結的反向電流增大到一定值，會使PN結因過熱而損壞。（熱擊穿）

PN結的擊穿并不意味著損壞，但是若不對電流加以限制都均可能造成PN結的永久損壞。當反向電壓增加使PN結剛開始擊穿時，反向電流還不大，此時若降低反向電壓，PN結仍能正常工作。（電擊穿）

五、PN結的電容效應(2)擴散電容Cd(1)勢壘電容Cb表征耗盡層內電荷量的變化。表征耗盡層外中性區(P區和N區)內電荷量的變化。PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。(1)勢壘電容Cb

PN結外加電壓變化時，空間電荷區的寬度將發生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。(2)

擴散電容Cd

PN結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散