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1、u 半导体基础知识半导体基础知识 u PN结结二级管单向导二级管单向导电原理电原理1 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素。将材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。当温度当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。时，半导体不导电，如同绝缘体。1.结构结构SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子一、本征半导体一、本征半导体2 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。2.载流子载流子半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子；带
2、正电的空穴。自由电子与空穴是同时成对产生的,两种载流子的浓度相等。ni=pi本征激发本征激发复合复合动态平衡动态平衡本征半导体中：空穴空穴SiSiSiSi自由自由电子电子3掺入杂质的半导体：掺入杂质的半导体：N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体SiSiP+Si多余电子Si（+4）+硼原子（硼原子（+3）Si（+4）+磷原子（磷原子（+5）空穴数量空穴数量自由电子自由电子导电能力导电能力SiSiSiB+3空穴二、杂质半导体二、杂质半导体41、 N 型半导体型半导体(Negative)（电子型半导体）（电子型半导体）半导体中掺入半导体中掺入五价五价元素构成元素构成.多子多子：自由电子：自由电子
3、少子：空穴少子：空穴五价：磷、锑、砷五价：磷、锑、砷2、 P 型半导体型半导体(Positive)半导体中掺入半导体中掺入三价三价元素构成元素构成.多子多子：空穴：空穴少子：自由电子少子：自由电子（空穴半导体）（空穴半导体）三价：硼、镓、铟三价：硼、镓、铟5 价杂质原子称为价杂质原子称为施主原子施主原子。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主原子。5说明：说明：1. 掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温温度度决决定定少少数数载载流流子的浓度。子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。2. 杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的
4、数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体体，因因而而其其 导电能力大大改善。导电能力大大改善。P型半导体：型半导体：空穴空穴=自由电子自由电子+负离子数负离子数N型半导体：型半导体：自由电子自由电子=空穴空穴+正离子数正离子数4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。( (a) ) N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体61.2 PN 结结 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,称为称为PN PN 结结。 PNPN结结一、一、PN 结的形成结的形成7 PN 结中载流子的运
5、动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1. 扩散运动扩散运动2. 扩散运动形扩散运动形成空间电荷区成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩扩散散运动。运动。 PN 结结，耗尽层。耗尽层。PN883. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒电位壁垒；N区到区到P区区 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内电场有利于少子运动漂移。 阻挡层阻挡层995. 扩散与漂移的动态平衡
6、扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大；扩散运动使空间电荷区增大；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时，PN 结结总总的的电电流流等等于于零零，空间电荷区的宽度达到稳定。空间电荷区的宽度达到稳定。即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。10二、二、 PN 结的单向导电性结的单向导电性1. PNPN结结结结 外加正向电压时外加正向电压时又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，
7、有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN什么是什么是PN结的单向结的单向导电性？导电性？有什么作用？有什么作用？11限流电阻处于导通状态处于导通状态112. PN PN 结结结结外加反向电压时外加反向电压时12耗尽层耗尽层PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS反向接法反向接法:外电场与内电场方向一致，增强了内电场的作用；外电场与内电场方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；漂移漂移 扩散扩散, ,产生反向电流产生反向电流 I IS S ；反反向向电电流流又又称称反反向向饱饱和和电电流流。对对温温度度十十分分敏敏感感，随随着着温温度度升升高高， IS 将急剧增大。将急剧增大。处于截止状态处于截止状态(反偏反偏)12l 当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正向电流，正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态；l 当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几乎等于零，几乎等于零， PN 结处于结处于截止状态截止状态。综上所述：综上所述：可见，可见， PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。13
