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1、PN结与半导体二极管结与半导体二极管 模拟电子线路第二讲（模拟电子线路第二讲（1） 1 半导体的基本知识 3 半导体二极管 2PN结 内 容 纲 要内 容 纲 要 1 半导体的基本知识1 半导体的基本知识 1.1 本征半导体 1.2 杂质半导体 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。 半导体的电阻率为10 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。 半导体的电阻率为10-3 -310 109 9 cm。典型的半 导体有硅 。典型的半 导体有硅Si和锗和锗Ge以及砷化镓以及砷化镓GaAs等。等。 1.1 本征半导体1.1 本征半导体 本征半导体本征
2、半导体化学成分纯净、具有 晶体结构的半导体材料。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要 达到 化学成分纯净、具有 晶体结构的半导体材料。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要 达到99.9999999%，常称为“九个，常称为“九个9”。它 在物理结构上呈单晶体形态。 ”。它 在物理结构上呈单晶体形态。 （1）本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 原子最外层轨道上的电子称为价电子。 硅和锗是四价元素，它们分别与周围四个 原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子 为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间 上形成排列有序的点阵，称为晶格。 原子最外层轨道上的电子称为价电子。 硅和锗是四价元素，它
3、们分别与周围四个 原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子 为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间 上形成排列有序的点阵，称为晶格。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键共价键/共 用电子对 共 用电子对 除去价电 子后的正 离子芯 除去价电 子后的正 离子芯 （2）电子空穴对）电子空穴对 当热力学温度为当热力学温度为0K时，半导体中没有自由电 子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量 增高，有的价电子可以 时，半导体中没有自由电 子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量 增高，有的价电子可以挣脱挣脱共价键的束缚，成为共价键的束缚，成为 自由电子自由电子。 自由电子产生
4、的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们 常称呈现正电性的这个空位为 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们 常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。 这一现象称为这一现象称为本征激发，本征激发，也称也称热激发热激发。 可见，因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为 可见，因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由电子 也可能回到空穴中去，称为 。游离的部分自由电子 也可能回到
5、空穴中去，称为复合复合。本征激发和复合在 一定温度下会达到 本征激发和复合在 一定温度下会达到动态平衡动态平衡。 本征半导体的载流子浓度计算公式:本征半导体的载流子浓度计算公式: 1 )2( E 3/2 1ii GO e KT TKpn = T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:室温下,本征硅的电子和空穴浓度: ni=pi=1.431010/cm3 2 本征半导体的本征半导体的特点分析特点分析 1、自由电子浓度=空穴浓度。 2、温度稳定性差：温度越高，自由电子的浓度越大。 3、载流子浓度低：在室温下，硅原子的离子化率 为十亿分之一。 4、导电性差：本征硅的导电性接近于绝缘体。 1.2
6、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 质后的本征半导体称为 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 质后的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。 (1) N型半导体型半导体 P Si SiSiSi SiSiSi Si SiSiSi SiSiSi Si SiSiSi SiSiSi Si SiSiSi SiSiSi Si SiSiSi SiSi Si+ 自由电子自由电子 施主杂质施主杂质施主杂质施主杂质 (1) N型半导体型半导体 在本
7、征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可 形成 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可 形成 N型半导体,型半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。 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 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 。 在N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供； 它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激
8、发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而 带正电荷成为 提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而 带正电荷成为正离子正离子，五价杂质原子也被称为，五价杂质原子也被称为施主杂 质。 施主杂 质。 (1) N型半导体型半导体 热力学平衡方程 电中性方程 2 00inn npn= Dnn Npn+= 00 其中，其中，ND为施主杂质的浓度为施主杂质的浓度(掺杂浓度掺杂浓度)。 00 00 nin nni nnp npn + 0 2 0 / nD niD nN pnN (2) P型半导体型半导体 Al Si SiSiSi SiSiSi Si SiSiSi SiSiSi Si SiSiSi
9、 SiSiSi Si SiSiSi SiSiSi Si SiSiSi SiSi Si - 空穴空穴 受主原子受主原子受主原子受主原子 (2) P型半导体型半导体 本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、 铟等形成 本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、 铟等形成 P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价 杂质原子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。 因三价 杂质原子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。 P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，主要由掺杂形 成 主要由掺杂形 成；电子是少数载流子，
10、；电子是少数载流子，由热激发形成由热激发形成。 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 。 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受主杂质。 (2) P型半导体型半导体 热力学平衡方程 电中性方程 其中，其中，NA为受主杂质的浓度为受主杂质的浓度(掺杂浓度掺杂浓度)。 2 00ppi pnn= 00ppA pnN=+ 00 00 pip ppi pnn pnn + 0 2 0 / pA piA pN nnN (3) 掺杂对半导体导电性的影响(3) 掺杂对半导体导电性的影响 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm31
11、 3掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: nn0=51016/cm3 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:室温下,本征硅的电子和空穴浓度: ni=pi=1.431010/cm3 2 杂质半导体中多子和少子的移动都能形成电流。 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子 杂质半导体中多子和少子的移动都能形成电流。 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。 (4) 杂质半导体的示意表示法(4) 杂质半导体的示意表示法 + + + + + + + + + + + + N型半导体 多子多子电子电子 少子
12、少子空穴空穴 P型半导体 多子多子空穴空穴 少子少子电子电子 少子浓度少子浓度与温度有关 多子浓度 与温度有关 多子浓度与掺杂浓度有关与掺杂浓度有关 小 结小 结 1、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产 生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 在一定温度下，本征半导体因本征激发而产 生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 2、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质 半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。 本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质 半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。 3、 P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。 N
13、型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。 4、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度 和材料性质有关。 半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度 和材料性质有关。 2 PN结结 2.1 PN结的形成 2.2 PN结的单向导电性 2.3 PN结的电容效应 2.1 PN结的形成 扩散：扩散：载流子由高浓度区域向低浓度区域的运动。载流子由高浓度区域向低浓度区域的运动。 漂移：漂移：载流子在电场力的作用下作定向运动。 扩散运动的产生与载流子的浓度差有关。 漂移运动的产生与电场有关。 扩散运动将产生扩散电流。 漂移运动将产生漂移电流。 载流子在电场力的作用下作定向运动。
14、 扩散运动的产生与载流子的浓度差有关。 漂移运动的产生与电场有关。 扩散运动将产生扩散电流。 漂移运动将产生漂移电流。 2.1 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分 别形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分 别形成 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半 导体和 型半 导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动 多子的扩散运动由杂质离子由杂质离子形成空间电荷区形成空间电荷区 空间电荷区空间电荷区形成形成内电场内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移
15、 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后，多子最后，多子扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 在 。 在P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的型半导体结合面，离子薄层形成的 空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多 子，所以也称 。在空间电荷区，由于缺少多 子，所以也称耗尽层。耗尽层。 注意，注意，PN结从构造上讲是结从构造上讲是不对称不对称的，即的，即P型半导体 和 型半导体 和N型半导体的型半导体的掺杂浓度不同掺杂浓度不同，一般表示为，一般表示为P+N或或 PN+，此处的，此处的+表示相对高掺杂。表示相对高掺杂。 + + +
16、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + PN结结N型区型区P型区型区 电位电位U U0 2.2 PN结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中结中P区的电位区的电位高于高于N区 的电位，称 区 的电位，称PN结加结加正向电压，正向电压，简称简称正偏。正偏。 反之，如果外加电压使反之，如果外加电压使PN结中结中P区的电位区的电位低 于 低 于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 PN 结正偏时，电阻很小，结正偏时，电阻很小，PN结导通。 结导通。 PN 结反偏时，电阻很大，结反偏时，电阻很大，PN结截止。结截止。 (1) PN结正偏时的导电情况结正偏时的导电情况 (
