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1、第1章 半导体材料及二极管 第1页，本讲稿共24页第一章第一章 半导体材料及二极管半导体材料及二极管第2页，本讲稿共24页概述概述 n半导体半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物体导电性能介于导体与绝缘体之间的物体n半导体材料半导体材料：SiSi和和GeGenPNPN结二极管结二极管 形成过程形成过程 伏安特性伏安特性 应用电路应用电路 几种特殊的二极管几种特殊的二极管第3页，本讲稿共24页1.1 1.1 半导体材料及其特性半导体材料及其特性 n半导体材料半导体材料：族元素硅（族元素硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe）III-VIII-V族元素的化合物砷化嫁（族元素的化合物砷化嫁（GaAs
2、GaAs）等。等。导电性能会随温度、光照或掺入某些导电性能会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。杂质而发生显著变化。本征半导体本征半导体杂质半导体杂质半导体第4页，本讲稿共24页1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体n本征半导体本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体。纯净的具有晶体结构的半导体。n晶格晶格在本征在本征SiSi和和GeGe的单晶中，原子在空间形成排列的单晶中，原子在空间形成排列整齐的空间点阵整齐的空间点阵。共价键结构共价键结构 本征激发本征激发 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子 本征浓度本征浓度第5页，本讲稿共24页1.1.共价键结构共价键结构n共价键共
3、价键图图1.1 1.1 单晶单晶SiSi和和GeGe的共价键结构示意图的共价键结构示意图 第6页，本讲稿共24页2.2.本征激发本征激发n自由电子自由电子n空穴空穴 原子因失去一个价电子而带原子因失去一个价电子而带正电，这个带正电的正电，这个带正电的“空空位位”叫空穴。叫空穴。n本征激发本征激发 半导体在外界）热或光或其他）半导体在外界）热或光或其他）激发下，产生激发下，产生自由电子空穴自由电子空穴对对的现象。的现象。图图1.2 1.2 本征激发示意图本征激发示意图 第7页，本讲稿共24页3.3.本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载载流子流子
4、。导体导电只有一种导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。载流子，即自由电子导电。图图1.3 1.3 电子与空穴的运动电子与空穴的运动第8页，本讲稿共24页n空穴导电空穴导电：当有电场作用时，价电子定向填补当有电场作用时，价电子定向填补空位，使空位作相反方向的移动，这与带正电空位，使空位作相反方向的移动，这与带正电荷的粒子作定向运动的效果完全相同。荷的粒子作定向运动的效果完全相同。为了区别于为了区别于自由电子自由电子的运动，我们就把的运动，我们就把价电价电子子的运动虚拟为空穴运动（方向相反），认为的运动虚拟为空穴运动（方向相反），认为空穴是一种带正电荷的载流子空穴是一种带正电荷的载流子 。第9
5、页，本讲稿共24页4.本征浓度本征浓度n载流子复合载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子空穴对消失的现象。使自由电子空穴对消失的现象。n载流子的动态平衡载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间在一定温度下，单位时间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。中载流子的浓度一定。第10页，本讲稿共24页本征载流子的浓度本征载流子的浓度（1.
6、11.1）第11页，本讲稿共24页1.2.2 1.2.2 杂质半导体杂质半导体n杂质半导体杂质半导体 掺入杂质的半导体称为杂质半导体。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度第12页，本讲稿共24页1.N1.N型半导体型半导体n掺入少量的掺入少量的族元素族元素（如磷、砷、锑等）（如磷、砷、锑等）后，形成的杂质半后，形成的杂质半导体称为导体称为N N型半导体型半导体。n多出一个价电子只能多出一个价电子只能位于共价键之外，位于共价键之外，成为成为“自由电子自由电子”。图图1.4 N1.4 N型半导体原子结构示意图型
7、半导体原子结构示意图 第13页，本讲稿共24页n施主原子施主原子：杂质原子杂质原子n施主离子施主离子：不能自由移动不能自由移动 不能参与导电。不能参与导电。n多数载流子多数载流子（多子多子）：）：自由电子自由电子。n少数载流子少数载流子（少子少子）：）：空穴空穴。n整体呈电中性整体呈电中性第14页，本讲稿共24页2.P2.P型半导体型半导体n掺入少量掺入少量族元素族元素（如绷、铝和铟等）（如绷、铝和铟等）后形成的杂质半导后形成的杂质半导体称为体称为P P型半导体型半导体。n共价键因缺少一个共价键因缺少一个价电子而出现一个价电子而出现一个“空位空位”。图图1.5 P1.5 P型半导体原子结构示意
8、图型半导体原子结构示意图 第15页，本讲稿共24页n受主原子受主原子：杂质原子：杂质原子n受主离子受主离子：不能自由移动：不能自由移动 不能参与导电。不能参与导电。n多数载流子多数载流子（多子多子）：空穴。）：空穴。n少数载流子少数载流子（少子少子）：自由电子。）：自由电子。n整体呈电中性整体呈电中性第16页，本讲稿共24页3.3.杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度 热平衡条件下热平衡条件下自由电子的浓度自由电子的浓度 热平衡条件下热平衡条件下空穴的浓度空穴的浓度 本征浓度本征浓度 （1.2）第17页，本讲稿共24页1.1.3 1.1.3 半导体中的电流半导体中的电流 n漂移电流漂移
9、电流n扩散电流扩散电流第18页，本讲稿共24页1.1.漂移电流漂移电流在电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定在电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为向漂移运动形成的电流，称为漂移电流漂移电流。它类似于金属导体它类似于金属导体内的传导电流。内的传导电流。电子的漂移电流密度电子的漂移电流密度为为-电子的迁移率电子的迁移率,常数，表征电子在半导体中运动容易度的参数常数，表征电子在半导体中运动容易度的参数E E是电场强度是电场强度e-e-电子的电量电子的电量n-n-电子的浓度电子的浓度（1.7）第19页，本讲稿共24页 而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电而空
10、穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，流，空穴的漂移电流密度空穴的漂移电流密度为为 p-p-空穴的浓度空穴的浓度是空穴的迁移率。是空穴的迁移率。和和的方向是一致的，均为空穴流动的方向。的方向是一致的，均为空穴流动的方向。所以所以（1.8）第20页，本讲稿共24页因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，即因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，即总的总的漂移电流密度漂移电流密度其中其中式中式中是半导体的是半导体的电导率电导率，与载流子浓度迁移率有关。，与载流子浓度迁移率有关。（1.9）（1.10）（1.11）第21页，本讲稿共24页2.2.扩散电流扩散电流 因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运
11、因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运动形成的电流。动形成的电流。第22页，本讲稿共24页 半导体中某处的扩散半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流电流主要取决于该处载流子的浓度差（即子的浓度差（即浓度梯度浓度梯度），而与该处的浓度值无关。，而与该处的浓度值无关。即扩散电流与载流子在扩即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯度成正散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散电比，浓度差越大，扩散电流也越大。流也越大。图图1.6 1.6 半导体中载流子的浓度分布半导体中载流子的浓度分布第23页，本讲稿共24页 即即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率处的斜率 和和 。n(x)n(x)表示表示x x处的电子浓度，处的电子浓度，p(x)p(x)表示表示x x处的空穴浓度。处的空穴浓度。由图中的由图中的浓度分布浓度分布曲线可知，该半导体曲线可知，该半导体最左端的电子（空穴）浓度最大，沿最左端的电子（空穴）浓度最大，沿x x方向浓度方向浓度按指数规律减小，最后趋于平衡值按指数规律减小，最后趋于平衡值 （）。）。因此，该半导体中的因此，该半导体中的扩散电流扩散电流也有上述也有上述的变化规律，即沿的变化规律，即沿x x方向扩散电流逐渐减小，最方向扩散电流逐渐减小，最终趋于零。终趋于零。第24页，本讲稿共24页