1、半导体的基础知识-PN 结原理 一、半导体概念 导体：自然界中很容易导电的物质称为 导 体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为 绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝 缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。二、半导体的导电机理二、半导体的导电机理 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：1.掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。2.热敏性和光敏性 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。三、本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）1、本征半导体的结构特点
2、现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Ge SiSi+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子 共价键 图 1.1.1 本征半导体结构示意图 2、本征半导体的晶体结构 当温度 T=0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴 自由电子 空穴 若 T?，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位 空穴。T?自由电子 和空穴使本征半导体
3、具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。3、本征半导体中的两种载流子 （动画1-1）（动画1-2）4、本征半导体的导电机理、本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高,因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。四、杂质半导体?在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂质半导体有两
4、种 N 型半导体 P 型半导体 1、N 型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如 磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型 半导体)。自由电子浓度远大于空穴的浓度 电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。(本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。)2、P 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体(或称空穴型半导体）。空穴浓度多于自由电子
5、浓度 空穴为多数载流子(简称多子），电子为少数载流子(简称少子)。+3(本征半导体掺入 3 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 3 个价电子，3与硅构成共价键，多余一个空穴。)说明：说明：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体(b)P 型半导体 图 杂质半导体的的简化表示法 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊
6、的薄层，称为 PN 结。P N PN结 图 PN 结的形成 一、PN 结的形成 1.2 PN结结 PN 结中载流子的运动结中载流子的运动 耗尽层 空间电荷区 P N 1.扩散运动 2.扩散运动形成空间电荷区 电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。PN 结，耗尽层。P N （动画1-3）3.空间电荷区产生内电场 P N 空间电荷区 内电场 Uho 空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。4.漂移运动 内电场 有利于少子运动 漂移。少子的运动与多子运动方向相反 阻挡层 5.扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂
7、移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成PN结。P N PN结 二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性 1.PN结 外加正向电压时处于导通状态 又称正向偏置，简称正偏。外电场方向 内电场方向内电场方向 耗尽层 V R I 空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图 1.1.6 P N 什么是PN结的单向导电性？有什么作用？在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外电场与内电
8、场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。耗尽层 图 1.1.7 PN 结加反向电压时截止 反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS 将急剧增大。P N 外电场方向 内电场方向 V R IS 3、结论(1)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区(2)(2)加反向电压（反偏）电源正极接N区，负极接P区 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN 结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截
9、止 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3半导体的导电能力随温度升高而_，金属导体的电阻率随温度升高而_。A降低降低 B降低升高 C升高降低 D升高升高 1用于制造半导体器件的半导体材料是_。A磷 B硅 C铟 D锗 B、D 2在纯净半导体中掺入3价元素形成的是_型半导体。AP BN CPN D电子导电 A D 4半导体的载流子随温度升高而_，也就是说半导体的导电性能随温度升高而_。A减小增强 B减小减弱 C增加减弱 D增加增强 D 课堂巩固练习课堂巩固练习 7P型半导体中的多数载流子是_。A电子 B空穴 C电荷 D电流 5半导体的导电能力在不同条件下有很大差别，若_导电能力会减弱 A掺杂非
10、金属元素 B增大光照 C降低环境温度 D掺杂金属元素 C 6在PN结的两端通过一块电流表短接，回路中无其它电源，当用光照射该半导体时，电流表的读数是_。A增大 B减小 C为零 D视光照强度而定 B 8N型半导体中的多数载流子是_。A自由电子 B空穴 C电荷 D电流 A C 9在晶体硅、锗中，参于导电的是_。A离子 B自由电子 C空穴 DB和C D 10在半导体两端加上外电压时，半导体中出现的电流是_。A自由电子电流 B空穴电流 C离子电流 DA和B D 11关于P型、N型半导体内参与导电的粒子，下列说法正确的是_。A无论是P型还是N型半导体，参与导电的都是自由电子和空穴 BP型半导体中只有空穴
11、导电 CN型半导体中只有自由电子参与导电 D在半导体中有自由电子、空穴、离子参与导电 A 12N型半导体中，主要靠_导电，_是少数载流子。A空穴空穴 B空穴自由电子 C自由电子空穴 D自由电子自由电子 C 13P型半导体中，主要靠_导电，_是少数载流子 A空穴空穴 B空穴自由电子 C自由电子空穴 D自由电子自由电子 B 14下列PN结两端的电位值，使PN结导通的是_。AP端接十5V，N端经电阻接十7V BN端接十2V，P端经电阻接十7V CP端接一3V，N端经电阻接十7V DP端接十1V，N端经电阻接十6V B 15在半导体PN结两端加_就可使其导通 A正向电子流 B正向电压 C反向电压 D反向电子流 B
