半导体的基本知识

半导体基本知识

本征半导体

半导体的导电性

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。

典型的半导体有硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓(GaAs)等。

本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体

在室温（300K）下，当被束缚的价电子获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键束缚成为自由电子时（本征激发），半导体便具备了一定的导电能力。

但与良导体相比，本征硅晶体内自由电子数量较少，因而其导电性能远不及导体。

空穴

空穴就是价电子挣脱束缚成为自由电子后，共价键中留下的空位.

因为空穴表示共价键中失去了一个带负电荷的电子，所以认为其带有与电子电荷等量的正电荷。

空穴也可以移动，它实际上反映了受束缚的价电子的移动，只是移动方向与价电子移动方向相反。

可以用空穴移动产生的电流来代表价电子移动产生的电流。

空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。

载流子的产生与复合

载流子——可以自由移动的带电粒子。

自由电子和空穴都是载流子

本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的。

自由电子与空穴相遇时，两者同时消失，称为自由电子与空穴的复合

外部环境不变的情况下，载流子的产生与复合达到动态平衡。

当温度升高时，将产生更多的自由电子和空穴，意味着载流子的浓度升高，晶体的导电能力也会增强。 即本征半导体的电导率将随温度的升高而增加。

杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。 掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

P型半导体

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成； 自由电子是少数载流子， 由热激发形成

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 三价杂质因而也称为受主杂质

N型半导体

因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供； 空穴是少数载流子, 由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，以下是一组典型数据:

以上三个浓度基本上依次相差10^6/cm3

'半导体基本知识' 小结：

● 在本征（纯净）半导体中掺入杂质，一方面可以显著提高半导体的导电能，另一方面可以减小温度对半导体导电性能的影响。 此时，半导体的导电能力主要取决于掺杂浓度。 在纯净的半导体中掺入受主杂质，可制成 P 型半导体； 而

掺入施主杂质，可制成 N 型半导体。 空穴导电是半导体不同于金属导体的重要

特点。 注意，这里是用空穴移动产生的电流来代表价电子移动产生的电流。

PN结的形成及特性

PN结的形成

载流子的漂移与扩散

漂移运动：在电场作用下引起的载流子运动

扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子运动

PN结的形成

空间电荷区也称为耗尽层、势垒区

在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡

PN结的单向导电性

外加正向电压

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 反之称为加反向电压，简称反偏。

外加正向电压

削弱了内电场的作用，PN结电阻减小

有利于多数载流子的扩散运动

回路中产生由多数载流子形成的扩散电流，称为正向电流

外加反向电压

高电阻、很小的反向漂移电流

外加反向电压

增强了内电场的作用，PN结电阻增大

阻止多子扩散，有利于少子漂移

回路中产生由少数载流子形成的漂移电流，称为反向电流

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流。

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

PN结的I−V特性

PN结的反向击穿和电容效应

PN结的反向击穿

当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN

结的反向击穿

电击穿——可逆

热击穿——不可逆

雪崩击穿

反向电压增大到一定程度

电场足够强

漂移运动的少子获得足够的动能

撞击出更多的自由电子-空穴对

新的自由电子-空穴对继续撞击出更多的自由电子-空穴对

载流子的倍增效应

齐纳击穿

反向电压增大到一定程度

电场足够强

破坏共价键的束缚，分离出电子，产生大量的自由电子-空穴对

形成较大的反向电流

PN结的电容效应

扩散电容

外加电压变化

扩散到对方区域在靠近PN结附近累积的载流子浓度发生变化

等效于电容充放电

势垒电容

外加电压变化

离子层厚薄变化

等效于电容充放电

PN结的形成及特性小结：

● PN 结是构成半导体二极管和其他半导体器件的基础，它是由 P 型半导体和 N 型半导体，在不同载流子浓度差异作用下，在交界面处形成的特殊区域。

● 当 PN 结外加正向电压（正向偏置）时，耗尽区变窄，有较大电流流过； 而当外加反向电压（反向偏置）时，耗尽区变宽，没有电流流过或电流极小，这就是半导体二极管的单向导电性，也是二极管最重要的特性。 PN 结还有两个重要特性：反向击穿特性和电容效应。