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1、半导体的基础知识半导体的基础知识-PN结原理结原理一、半导体概念一、半导体概念一、半导体概念一、半导体概念导体：导体：导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导导导导 体体体体， 金属一般都是导体。金属一般都是导体。金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导
2、体：半导体：半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝另有一类物质的导电特性处于导体和绝另有一类物质的导电特性处于导体和绝另有一类物质的导电特性处于导体和绝 缘体之间，称为缘体之间，称为缘体之间，称为缘体之间，称为半导体半导体半导体半导体， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。N结的单向导电性二、半导体的导电机理二、半导体的导电机理半导体半导体半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其的导电机理不同于其它物
3、质，所以它具有不同于其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：它物质的特点。例如：它物质的特点。例如：它物质的特点。例如：1.1.掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电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。能力明显改变。能力明显改变。能力明显改变。2.2.热敏性和光敏性热敏性和光敏性热敏性和光敏性热敏性和光敏性 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变当受
4、外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。化。化。化。N结的单向导电性三、三、 本征半导体本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）（纯净和具有晶体结构的半导体）（纯净和具有晶体结构的半导体）（纯净和具有晶体结构的半导体）1、本征半导体的结构特点、本征半导体的结构特点 现代电子学中，用的最多的半导体是现代电子学中，用的最多的半导体是现代电子学中，用的最多的半导体是现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗硅和锗硅和锗硅和锗，它们的最外，它们的最外，它们的最外，它们的最外层电子（价电子）都是四个。层电子（价电子）都是四个。层电子（价电子）都是四个。层电子（价电子）都是四个。GeGeSiSiN结的单向导
5、电性+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体体称为本征半导体称为本征半导体 将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共价键结构。共价键结构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.1本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图2、本征半、本征半导体的体的晶体晶体结构构当当温温度度 T = 0 K 时时，半半导导体不导电，如同绝缘体。体不导电，如同绝缘体。N结的单向导电性+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.2本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电
6、子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一一个个空空位位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但很微弱。但很微弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载流子。载流子。3、本征半、本征半导体体中的两种载流子中的两种载流子（动画1-1） （动画1-2）N结的单向导电性4、本征半导体的导电机理、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，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相
7、等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子自由电子自由电子和和和和空穴空穴空穴空穴。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。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。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度
8、。 温度越高，载流子的浓度越高温度越高，载流子的浓度越高温度越高，载流子的浓度越高温度越高，载流子的浓度越高, ,因此本征半导体的导电因此本征半导体的导电因此本征半导体的导电因此本征半导体的导电能力越强，能力越强，能力越强，能力越强，温度温度温度温度是影响半导体性能的一个重要的外部是影响半导体性能的一个重要的外部是影响半导体性能的一个重要的外部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。因素，这是半导体的一大特点。因素，这是半导体的一大特点。因素，这是半导体的一大特点。N结的单向导电性四、四、 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些
9、微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半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导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂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。导体的某种载流子浓度大大增加。导体的某种载流子浓度大大增加。导体的某种载流子浓度大大增加。 杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体N结的单向导电性1、 N 型半导体型半导体(Negative)在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 5 价价杂杂质质元
10、元素素，如如磷磷、锑锑、砷砷等等，即即构构成成 N 型型半半导导体体( (或或称称电电子子型型半导体半导体) )。自由电子浓度远大于空穴的浓度自由电子浓度远大于空穴的浓度电子称为多数载流子电子称为多数载流子(简称多子简称多子)，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子(简称少子简称少子)。(本征半导体掺入本征半导体掺入 5 价元素后，原来价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有替。杂质原子最外层有 5 个价电子，个价电子，其中其中 4 个与硅构成共价键，多余一个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温个电子只受自身原子核吸引，
11、在室温下即可成为自由电子。下即可成为自由电子。)N结的单向导电性2、 P 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 3 价价杂杂质质元元素素，如如硼硼、镓镓、铟铟等等，即即构构成成 P 型型半半导导体体(或或称称空空穴穴型型半半导导体体）。空穴浓度多于自由电子浓度空穴浓度多于自由电子浓度空穴为多数载流子空穴为多数载流子(简称多子），简称多子）， 电子为少数载流子电子为少数载流子(简称少子简称少子)。+3(本征半导体掺入本征半导体掺入 3 价元素后，原来价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有替。杂质原子最外层
12、有 3 个价电子，个价电子，3与硅构成共价键，多余一个空穴。与硅构成共价键，多余一个空穴。)N结的单向导电性说明：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；温温度度决决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持杂质半导体总体上保持电中性电中性。 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。2. 杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体图图 杂质半
13、导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法N结的单向导电性 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PNPN结结图图 PN 结的形成结的形成一、一、PN 结的形成结的形成1.2PN结结N结的单向导电性 PN 结中载流子的运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. 扩扩散散运运动动形成空间电荷区形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
14、流流子子的的扩扩散散运运动。动。 PN 结结，耗耗尽层。尽层。PN （动画1-3）N结的单向导电性3. 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空空间间电电荷荷区区正正负负离离子子之之间间电电位位差差 Uho 内内电电场场； 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内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。 少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相反相反 阻挡层阻挡层N结的单向导电性5. 扩散与漂移的动态平衡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；扩散运动使空间电荷区增大
15、，扩散电流逐渐减小；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时，形成扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成PN结。结。PNPN结结N结的单向导电性二、二、 PN 结的单向导电性结的单向导电性1. PNPN结结结结 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，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，
16、有利空间电荷区变窄，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。图图 1.1.6PN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？N结的单向导电性在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的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，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. PN PN 结结结结外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态( (反偏反偏) )反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了了内内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷
17、区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流，电路中产生反向电流散电流，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。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。N结的单向导电性耗尽层耗尽层图图 1.1.7PN 结加反向电压时截止结加反向电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRISN结的单向导电性3、结论、结论(1)(1)加正向电压（
18、正偏）加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接电源正极接电源正极接P P区，负极接区，负极接区，负极接区，负极接NN区区区区(2) (2) 加反向电压（反偏）加反向电压（反偏）加反向电压（反偏）加反向电压（反偏）电源正极接电源正极接电源正极接电源正极接NN区，负极接区，负极接区，负极接区，负极接P P区区区区 PNPN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，阻，阻，阻， PNPN结导通；结导通；结导通；结导
19、通； PNPN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，电阻，电阻，电阻， PNPN结截止结截止结截止结截止 由此可以得出结论：由此可以得出结论：由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。结具有单向导电性。结具有单向导电性。N结的单向导电性3 3半导体的导电能力随温度升高而半导体的导电能力随温度升高而_，金属导体的电，金属导体的电阻率随温度升高而阻率随温度升高而_。 A A降低降低降低降低 B B降低升高降低升
20、高 C C升高降低升高降低 D D升高升高升高升高1 1用于制造半导体器件的半导体材料是用于制造半导体器件的半导体材料是_。 A A磷磷 B B硅硅 C C铟铟 D D锗锗B、D2 2在纯净半导体中掺入在纯净半导体中掺入3 3价元素形成的是价元素形成的是_型半导体。型半导体。 A AP BP BN CN CPN DPN D电子导电电子导电A AD D4 4半导体的载流子随温度升高而半导体的载流子随温度升高而_，也就是说半导体，也就是说半导体的导电性能随温度升高而的导电性能随温度升高而_。 A A减小增强减小增强 B B减小减弱减小减弱 C C增加减弱增加减弱 D D增加增强增加增强D D课堂巩
21、固练习课堂巩固练习N结的单向导电性7 7P P型半导体中的多数载流子是型半导体中的多数载流子是_。 A A电子电子 B B空穴空穴 C C电荷电荷 D D电流电流5 5半导体的导电能力在不同条件下有很大差别，若半导体的导电能力在不同条件下有很大差别，若_导电能力会减弱导电能力会减弱 A A掺杂非金属元素掺杂非金属元素 B B增大光照增大光照 C C降低环境温度降低环境温度 D D掺杂金属元素掺杂金属元素C6 6在在PNPN结的两端通过一块电流表短接，回路中无其它电源，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，电流表的读数是当用光照射该半导体时，电流表的读数是_。 A
22、A增大增大 B B减小减小 C C为零为零 D D视光照强度而定视光照强度而定B B8 8N N型半导体中的多数载流子是型半导体中的多数载流子是_。 A A自由电子自由电子 B B空穴空穴 C C电荷电荷 D D电流电流A AC C9 9在晶体硅、锗中，参于导电的是在晶体硅、锗中，参于导电的是_。 A A离子离子 B B自由电子自由电子 C C空穴空穴 D DB B和和C CD DN结的单向导电性1010在半导体两端加上外电压时，半导体中出现的电流是在半导体两端加上外电压时，半导体中出现的电流是_。 A A自由电子电流自由电子电流 B B空穴电流空穴电流 C C离子电流离子电流 D DA A和
23、和B BD 11 11关于关于P P型、型、N N型半导体内参与导电的粒子，下列说法正型半导体内参与导电的粒子，下列说法正确的是确的是_。 A A无论是无论是P P型还是型还是N N型半导体，参与导电的都是自由电型半导体，参与导电的都是自由电子和空穴子和空穴 B BP P型半导体中只有空穴导电型半导体中只有空穴导电 C CN N型半导体中只有自由电子参与导电型半导体中只有自由电子参与导电 D D在半导体中有自由电子、空穴、离子参与导电在半导体中有自由电子、空穴、离子参与导电A A 12 12N N型半导体中，主要靠型半导体中，主要靠_导电，导电，_是少数载是少数载流子。流子。 A A空穴空穴空
24、穴空穴 B B空穴自由电子空穴自由电子 C C自由电子空穴自由电子空穴 D D自由电子自由电子自由电子自由电子C CN结的单向导电性1313P P型半导体中，主要靠型半导体中，主要靠_导电，导电，_是少数载是少数载流子流子 A A空穴空穴空穴空穴 B B空穴自由电子空穴自由电子 C C自由电子空穴自由电子空穴 D D自由电子自由电子自由电子自由电子B1414下列下列PNPN结两端的电位值，使结两端的电位值，使PNPN结导通的是结导通的是_。 A AP P端接十端接十5V5V，N N端经电阻接十端经电阻接十7V 7V B BN N端接十端接十2V2V，P P端经电阻接十端经电阻接十7V7V C CP P端接一端接一3V3V，N N端经电阻接十端经电阻接十7V 7V D DP P端接十端接十1V1V，N N端经电阻接十端经电阻接十6V6VB B 15 15在半导体在半导体PNPN结两端加结两端加_就可使其导通就可使其导通 A A正向电子流正向电子流 B B正向电压正向电压 C C反向电压反向电压 D D反向电子流反向电子流B BN结的单向导电性
