三峡大学：《电子技术基础 Fundamental of Electronic Technology》课程教学资源（PPT课件讲稿）第一章 常用半导体器件

第一章常用容导体器 11半导体器件基础 1.1.1本征半导体 半导体 导体 共价键 绝缘体 半导体:硅(Si) 锗(Ge) 二、本征半导体 +4 的晶体结构 图11.1

第一章 常用半导体器件 1.1 半导体器件基础 1.1.1 本征半导体 一、半导体 导体 绝缘体 半导体：硅（Si） 锗（Ge） 二、本征半导体 的晶体结构 图1.1.1

三、本征半导体中的两种载流子 4 载流子: 自由 空穴 自由电子 +4 4 空穴 +4 + 4 图112

三、本征半导体中的两种载流子 载流子： 自由电子 空穴 图1.1.2

四、本征半导体中载流子的浓度 本征激发、复合、动态平衡 n p,=K,T 3/2。Eco/(2kI) n、p;自由电子与空穴浓度(cm) T:热力学温度 k:玻尔兹曼常数(863×10ev/K); Eco:热力学零度时破坏共价键所需的能量 K1:与半导体材料载流子有效质量、有效能 级密度有关的常量。 在常温下,即T=300K时,硅材料的本 征载流子浓度n=P1=1.43×10cm 锗材料的本征载流子浓度n=P2=238×103cm

四、本征半导体中载流子的浓度 本征激发、复合、动态平衡 ni、pi :自由电子与空穴浓度（ ）； T：热力学温度； k：玻尔兹曼常数（ ）； EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量； K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能 级密度有关的常量。 在常温下，即T=300K时，硅材料的本 征载流子浓度 锗材料的本征载流子浓度

1.1.2杂质半导体 N型半导体 纯净硅晶体中掺入 自由 五价元素(如磷),使 ⊙∶ 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供电 施主 原子 子,所以称之为施主原 +4 子。自由电子为多数载 流子,空穴为少数载流 子,简称多子和少子。 图113

1.1.2 杂质半导体 一、 N型半导体 纯净硅晶体中掺入 五价元素（如磷），使 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供电 子，所以称之为施主原 子。自由电子为多数载 流子，空穴为少数载流 子，简称多子和少子。 图1.1.3

二、P型半导体 空穴 纯净硅晶体中掺入 三价元素(如硼),使 之取代晶格中硅原子的 空位\o 位置。杂质原子提供空 穴,所以称之为受主原 受主 子。空穴为多数载流子, 原子 自由电子为少数载流子, +4 +4 +4 简称多子和少子。 图114

二、 P型半导体 纯净硅晶体中掺入 三价元素（如硼），使 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供空 穴，所以称之为受主原 子。空穴为多数载流子 ， 自由电子为少数载流子 ， 简称多子 和少子 。 图1.1.4

113PN结 空穴负离子正离子自由电子 PN结的形成 ⊙Oo)/⑥ OOQ⑥⑥⑥ 浓度差扩散运动 复合空间电荷区 空间电荷区 内电场漂移运动 多子扩散=少子漂移 达到动态平衡,形成 结 P区 N区 在空向电荷区内自 由电子和空穴都很少, 所以称为耗尽层。 图115

1.1.3 PN 结 一、 PN结的形成 图1.1.5 浓度差 —扩散运动 复 合 —空间电荷区 内电场 —漂移运动 多子扩散 =少子漂移 达到动态平衡，形成 PN结。 在空间电荷区内自 由电子和空穴都很少， 所以称为耗尽层

PN结的单向导电性 1、外加正向电压时PN结处于导通状态 PN结处于正向偏置。外电 耗尽层 场将多数载流子推向空间电 P区 荷区,使其变窄,削弱了内_9°e 电场,破坏了原来的平衡, 使扩散运动加剧,漂移运动 内电场 减弱。由于电源的作用,扩 外电场 散运动将源源不断地进行, 从而形成正向电流,PN结导 通。因为N结正向导通电压 只有零点几伏,所以在回路 图116 中串联电阻以限制电流

二、PN结的单向导电性 1、外加正向电压时PN结处于导通状态 图1.1.6 PN结处于正向偏置。外电 场将多数载流子推向空间电 荷区，使其变窄，削弱了内 电场，破坏了原来的平衡， 使扩散运动加剧，漂移运动 减弱。由于电源的作用，扩 散运动将源源不断地进行， 从而形成正向电流，PN结导 通。因为PN结正向导通电压 只有零点几伏，所以在回路 中串联电阻以限制电流

2、外加反向电压时PN处于截止状态 PN结处于反向偏置状 态。外电场使空间电荷区 P区 耗尽层 N区 变宽,加强了内电场,阻 000000⊙@ 止扩散运动的进行,加剧 漂移运动的进行,形成反 向电流,也称为漂移电流 电场 电场 因为少子的数目极少,即 使都参与漂移,反向电流 R 也非常小,认为PN结处于 Htu 截止状态。 图117

2、外加反向电压时PN 处于截止状态 PN结处于反向偏置状 态。外电场使空间电荷区 变宽，加强了内电场，阻 止扩散运动的进行，加剧 漂移运动的进行，形成反 向电流，也称为漂移电流。 因为少子的数目极少，即 使都参与漂移，反向电流 也非常小，认为PN结处于 截止状态。 图1.1.7

三、PN结的电流方程 Is反向饱和电流 qu KI q:电子的电量 k:玻尔兹曼常数; T:热力学温度。 将式中的kq用U取代,则得 i=Ise-1T=300K时,Ur≈26mV

三、PN结的电流方程 IS :反向饱和电流； q：电子的电量； k：玻尔兹曼常数； T：热力学温度。 ; 将式中的kT/q用UT取代，则得

四、PN结的伏安特性 u>0,称为正向特性; u<0,称为反向特性; 当反向电压大于UB 后,反向电流急剧增加,称 为反向击穿。 在高掺杂情况下,耘尽 层很窄,不大的反向电压可 在耗尽层产生很大的电场, 图11.10 直接破坏共价键,产生电子 空穴对,称为齐纳击穿;如果掺杂浓度较低,当 反向电压较大时,耗尽层的电场使少子加快漂移 速度,把价电子撞出共价键,产生电子空穴对 又撞出价电子,称为雪崩击穿。在击穿时,若不 限制电流,则会造成永久性损坏

四、PN结的伏安特性 图1.1.10 u＞0,称为正向特性； u＜0,称为反向特性； 当反向电压大于U(BR) 后，反向电流急剧增加，称 为反向击穿。 在高掺杂情况下，耗尽 层很窄，不大的反向电压可 在 耗尽层产生很大的电场， 直接破坏共价键，产生电子- 空穴对，称为齐纳击穿；如果掺杂浓度较低，当 反向电压较大时，耗尽层的电场使少子加快漂移 速度，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对， 又撞出价电子，称为雪崩击穿。在击穿时，若不 限制电流，则会造成永久性损坏