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1、上页 下页返回 模拟电子技术基础 1.1.1 PN结的形成 1.1 PN结 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间 最常用的半导体材料 物体根据其导电能力（电阻率）分 半导体 绝缘体 导体 锗 硅 1 半导体二极管及其应用 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +14 284 Si 硅原子结构示意图 +32 28 18 Ge 锗原子结构示意图 4 原子结构示意图 +4 硅、锗原子 的简化模型 上页 下页返回 模拟电子技术基础 平面结构 立体结构 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 1. 本征半导体 本征半导体就是完全纯净的半导体 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4
2、+4+4 +4 +4 +4 共价键 价电子 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 本 征 半 导 体 受 热 或 光 照 上页 下页返回 模拟电子技术基础 本 征 激 发 产 生 电 子 和 空 穴 自由电子 空穴 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 上页 下页返回 模拟电子技术基础 电子空穴 成对产生 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 电子空穴 复合，
3、成 对消失 上页 下页返回 模拟电子技术基础 电子和空穴产生过程动画演示 上页 下页返回 模拟电子技术基础 本征激发使空穴和自由电子成对产生。 相遇复合时，又成对消失。 小结 空穴浓度（np)=电子浓度(nn) 温度T一定时 np nn=K(T) K(T) 与温度有关的常数 上页 下页返回 模拟电子技术基础 在 外 电 场 作 用 下 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上页 下页返回 模拟电子技术基础 电 子 运 动 形 成 电 子 电 流 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +
4、4 U 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 价电子填 补空穴而 使空穴移 动，形成 空穴电流 上页 下页返回 模拟电子技术基础 半导体导电机理动画演示 上页 下页返回 模拟电子技术基础 (1) 在半导体中有两种载流子 这就是半导体和金属导电原理的 本质区别 a. 电阻率大 (2) 本
5、征半导体的特点 b. 导电性能随温度变化大 小结 带正电的空穴 带负电的自由电子 本征半导体不能在半导体器件中直接使用 上页 下页返回 模拟电子技术基础 2掺杂半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元 素后所形成的半导体 根据掺杂的不同，杂质半导体分为 N型导体 P型导体 (1) N型半导体 掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 掺入少量五价杂质元素磷 P 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 P 上页 下页返回 模拟电子技术基础 多出 一个 电子 出现
6、 了一 个正 离子 +4+4 +4 +4 +4+4+4 +4 P 上页 下页返回 模拟电子技术基础 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 半导体中产生了大量的自由电子和正离子 上页 下页返回 模拟电子技术基础 N型半导体形成过程动画演示 上页 下页返回 模拟电子技术基础 c. 电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流 子，简称少子。 e. 因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或 电子型半导体。 f. 因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。 b. N型半导体中产生了大量的
7、(自由）电子和正离子。 小结 d. np nn=K(T) a. N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质 元素形成的。 上页 下页返回 模拟电子技术基础 (2) P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等 。 B +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4B 上页 下页返回 模拟电子技术基础 出 现 了 一 个 空 位 +4+4 +4 +4 +4+4 B +4 +4 上页 下页返回 模拟电子技术基础 +4+4 +4 +4 +4+4 B +4 +4 负离子 空穴 上页 下页返回 模拟电子技术基础
8、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 半导体中产生了大量的空穴和负离子 上页 下页返回 模拟电子技术基础 P型半导体的形成过程动画演示 上页 下页返回 模拟电子技术基础 c. 空穴是多数载流子,电子是少数载流子。 e. 因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或 空穴型半导体。 f. 因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。 a. P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价 杂质元素形成的。 b. P型半导体产生大量的空穴和负离子 。 小结 d. np nn=K(T) 上页 下页
9、返回 模拟电子技术基础 当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可 将N型转为P型； 杂质半导体的转型 当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可 将P型转为N型。 上页 下页返回 模拟电子技术基础 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 以N型半导体为基片 通过半导体扩散工艺 3. PN结的形成 上页 下页返回 模拟电子技术基础 使半导
10、体的一边形成N型区，另一边形成P型区。 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 (1) 在浓度差的作用下，电子从 N区向P区扩散。 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - P - - - - -
11、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 (2) 在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散。 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区 交界面上，留下了
12、一层不能移动的正、负离子。 小结 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 即PN结 空间电荷层 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - P - - - - - - - - - - - - - -
13、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 形成内电场 内电场方向 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 PN结一方面阻碍多子的扩散 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
14、 + + + + + + + + + + + - - P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 另一方面加速少子的漂移 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 势垒U0 形成电位
15、势垒 N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 当扩散与漂移作用平衡时 a. 流过PN结的净电流为零 b. PN结的厚度一定（约几个微米） c. 接触电位一定（约零点几伏） N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
16、 + + - - P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 上页 下页返回 模拟电子技术基础 PN结形成过程动画演示 上页 下页返回 模拟电子技术基础 当N区和P区的掺杂浓度不等时 离子密 度大 空间电荷 层较薄 离子密 度小 空间电荷 层较厚 高掺杂浓度区 域用N+表示 + + + + + + _ _ _ _ _ P N+ 上页 下页返回 模拟电子技术基础 1.1.2 PN结的单向导电性 1PN结正向偏置 PN结正向偏置 当外加直流电压使PN结P型半 导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时，
17、 称PN结正向偏置，简称正偏。 PN结反向偏置 当外加直流电压使PN结N型半 导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时， 称PN结反向偏置，简称反偏。 上页 下页返回 模拟电子技术基础 - - - - - - PN + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + R S E内 + + + + + + E PN结正向偏置 上页 下页返回 模拟电子技术基础 内电场被削弱 PN结变窄 PN结呈现低阻、导通状态
18、 多子进行扩散 - - - - - - PN + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + RS E内 + + + + + + E 上页 下页返回 模拟电子技术基础 PN结正偏动画演示 上页 下页返回 模拟电子技术基础 内电场增强 PN结变宽 PN结呈现高 阻、截止状态 不利多子扩散 有利少子漂移 2PN结反向偏置 - - - - - - PN + + + + + + - - - - - - - - -
19、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + R S E内 + + + + + + E 上页 下页返回 模拟电子技术基础 此电流称为反向饱和电流，记为IS。 因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几 乎无关。 - - - - - - PN + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
20、 + + + + + R S E内 + + + + + + E 上页 下页返回 模拟电子技术基础 PN结反偏动画演示 上页 下页返回 模拟电子技术基础 1.1.3 PN结的电压与电流关系 + + + + + + _ PN _ _ _ _ _ u i 上页 下页返回 模拟电子技术基础 IS PN结反向饱和电流 UT 热电压 式中 UT=KT q q 电子电量 T 绝对温度 在室温（T=300K)时， 。 K 玻耳兹曼常数其中 上页 下页返回 模拟电子技术基础 (1) 当u = 0时，i = 0 ； (3) 当u UT 时，i IS 。 讨论 (2) 当u0，且u UT 时， ； 上页 下页返回 模拟电子技术基础 思 考 题 1. 半导体中的载流子浓度主要与哪些因素有关？ 2. 扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？