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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,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 现代
2、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。,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。,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,
3、（动画1-1）,（动画1-2）,4、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。,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,1、 N 型半导体(Negative),在硅或
4、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
5、子)。,(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：,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的薄层，称为 PN 结。,图 PN 结的形成
6、,一、PN 结的形成,1.2 PN结,PN 结中载流子的运动,耗尽层,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。,（动画1-3）,3. 空间电荷区产生内电场,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,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
7、平衡时，形成PN结。,二、 PN 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。,图 1.1.6,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。,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
8、将急剧增大。,3、结论,加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区 (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
9、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,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
10、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,