(模擬電子技術(shù)基礎(chǔ))第2講半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1、( (模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)) )第第2 2講半導(dǎo)體基講半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識礎(chǔ)知識2 待解決問題：半導(dǎo)體中載流子如何運(yùn)動？PN結(jié)的特性？3第二講第二講 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、三、PNPN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、四、PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。 常用的如硅（常用的如硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。的最外層電子受原子核的束縛

2、力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 他們的最外層電子既不像導(dǎo)體那么容易掙脫原子核的束縛，他們的最外層電子既不像導(dǎo)體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊。也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊。一、一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 從從導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能的角度，如何對各種物質(zhì)如何進(jìn)行劃分？的角度，如何對各種物質(zhì)如何進(jìn)行劃分？1、什么是半導(dǎo)體？、什么是半導(dǎo)體？ 導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原絕緣

3、體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時才可能導(dǎo)子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時才可能導(dǎo)電。電。51、本征半導(dǎo)體及其結(jié)構(gòu)、本征半導(dǎo)體及其結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動，具有足夠能量由于熱運(yùn)動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子。而成為自由電子。自由電子的自由電子的產(chǎn)生產(chǎn)生使共價鍵中使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴成對產(chǎn)生，數(shù)量相等；自由電子與空穴成對產(chǎn)生，數(shù)量相等； 自由電子與空穴相碰則同時消失，稱為自由電子與空穴相碰則同時消失，稱為復(fù)合復(fù)合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自

4、由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對熱運(yùn)動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。的濃度加大。無雜質(zhì)無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是純凈的單晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。是純凈的單晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。動畫動畫1晶格晶格6載流子載流子 外加電場時，帶負(fù)電的自由電外加電場時，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動方向相反。且運(yùn)動方向相反。 自由電子的運(yùn)動？自由電子的運(yùn)動？ 空穴的運(yùn)動？空穴的運(yùn)動？ 運(yùn)載電荷的粒子稱為運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子載流

5、子。 由于載流子數(shù)目很少，由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電故導(dǎo)電性很差。性很差。 溫度升高，熱運(yùn)動加劇，載流溫度升高，熱運(yùn)動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。時不導(dǎo)電。 動畫動畫22、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子7二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體5磷（磷（P） N型半導(dǎo)體主要靠自由電子型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，自由電導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，自由電子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。 少子。少子。 動畫動畫3多數(shù)載流子（多子）多數(shù)載流子（多子） “N”的含義？的含義？82. P型半導(dǎo)體型半

6、導(dǎo)體3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。導(dǎo)電性越強(qiáng)。動畫動畫4 雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？載流子的數(shù)目變化嗎？如何控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性？如何控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性？控制多子（摻雜體）的濃度。控制多子（摻雜體）的濃度。 “P”的含義？的含義？9三、三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。氣物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。氣體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動P

7、區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高濃度遠(yuǎn)高于于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高子濃度遠(yuǎn)高于于P區(qū)。區(qū)。 擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場，不利于擴(kuò)散運(yùn)動的繼區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場，不利于擴(kuò)散運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行。續(xù)進(jìn)行。10PN結(jié)的形成結(jié)的形成 因電場作用所產(chǎn)生因電場作用所產(chǎn)生的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。 參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到達(dá)到動態(tài)平衡動態(tài)平衡，就形成了，就形成了PN結(jié)。結(jié)。漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動 由于擴(kuò)散運(yùn)動使由于擴(kuò)散運(yùn)動使P

8、區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行；內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行； 內(nèi)電場使空穴從內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動。區(qū)運(yùn)動。動畫動畫511PN結(jié)加正向電壓：結(jié)加正向電壓： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，成擴(kuò)散電流，PNPN結(jié)處于結(jié)處于導(dǎo)通導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓：結(jié)加反向電壓： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，形成漂移電有利于漂移運(yùn)動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近

9、似流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其認(rèn)為其截止截止。PN結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦詣赢媱赢?動畫動畫612四、四、PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)1. 勢壘電容勢壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放變化，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電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴(kuò)散路程中載結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴(kuò)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(kuò)散電容釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd 。dbjCCC結(jié)電容：結(jié)電容：動畫動畫813自測題自測題（1）在）在N型半導(dǎo)體中如果摻入足夠量的三價元素，可型半導(dǎo)體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為將其改型為P型半導(dǎo)體。（型半導(dǎo)體。（ ）（2）因為）因為N型半導(dǎo)體的多子是自由電子，所以它帶負(fù)型半導(dǎo)體的多子是自