半导体第2章PN结总结

第二章 PN结

1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构。

任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）。

2. PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。

3. 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.

突变结杂质分布线性缓变结杂质分布

4. 空间电荷区：PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区。电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。空间电荷存在的区域称为空间电荷区。

5. 建电场：P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场——空间电荷区电场，也叫建电场。

PN结自建电场：在空间电荷区产生

缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场，电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区围输运。

大注入建电场：在空穴扩散区（这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。

6. 建电势差：由于建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做建电势差（用

表示）。

7. 费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。

准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区围，电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。

8. PN结能带图

热平衡能带图

平衡能带图

非平衡能带图

正偏压：P正N负

反偏压：P负N正

9. 空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区

势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。

耗尽区：空间电荷区的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。

中性区：PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)。

耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。

10. 单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布

11. 载流子

载流子：能够导电的自由粒子。（电子，空穴）

本征激发（热激发）：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原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。（同时产生电子-空穴对）

——本征激发产生的的是平衡载流子

复合：游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

过剩载流子（非平衡载流子）：由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子。

——其他因素产生的偏离平衡态分布的载流子非平衡载流子。

产生与复合是过剩载流子运动的主要形式。

12.

空间电荷效应

在PN结的中性区，有注入的过量非平衡少子，建立起一瞬间电场，此电场吸引过量的多子以中和注入的少子，并使电中性得以恢复。结果造成有很高的过量载流子浓度但无显著的空间电荷效应。

小注入：

产生过剩载流子的数量显著低于热平衡时的多子浓度，此时为小注入。

半导体的导电性仍由自身掺杂条件决定。（建电场决定）

大注入：

如外加正向电压增大，致使注入的非平衡少子浓度达到或超过多子浓度时，称为大注入。此时，空间电荷效应显著，存在大注入电场。

13. 本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体。

杂质半导体：分N型和P型

N型（电子型），自由电子是多数载流子，由杂质原子提供（杂质原子带正电荷 Nd+，施主杂质），空穴是少数载流子, 由热激发形成。

P型（空穴型），空穴是多数载流子，主要由掺杂形成（Na-，受主杂质），电子是少数载流子，由热激发形成。

14. 扩散和漂移

扩散：从浓度高到浓度低

漂移：电场引起

15.

少子扩散区：空间电荷区两侧中性区里一到几个扩散长度的区域注入少子以扩散方式运动，这个区域称为少子扩散区，简称为扩散区。

正向注入：正偏压使PN结N区多子电子从N区向P区扩散，使P区多子空穴从P区向N区扩散（这些载流子在进入对方区域之后成为对方区域中的少子）这种现象称为少子的正向注入。

反向抽取：反偏PN结空间电荷区电场将N区少子空穴从N区向P区漂移，将P区少子电子从P区向N区漂移，这种现象称为载流子的反向抽取

16. pn结电流电压关系

正偏压下载流子输运情况反偏压下载流子输运情况

17. 正偏复合电流：正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致pn>ni2。这些

过量载流子穿越空间电荷层，使得载流子浓度可能超过平衡值，预料在空间电荷层中会有载流子复合发生，相应的电流称为空间电荷区复合电流。

反偏产生电流：反偏PN结空间电荷区pn<

18. pn结温度特性

正偏压下，给定电流，电压随温度线性地减小，系数为-2mV/oC。给定电压，电流随温度升高而迅速增加。在室温时，每增加10oC，电流约增加1倍。

19.pn击穿

热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。

隧道击穿：掺杂浓度十分高时，耗尽区宽度变得很窄，耗尽区的电场高达106Vcm-1。

这种情况下，价带电子可以直接穿过禁带到达导带，成为自由电子，引起电流迅速增加。

雪崩击穿：耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格碰撞时产生电子-空穴对。新产生的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原子碰撞再产生第三代电子-空穴对。如此继续，产生大量导电载流子，电流迅速上升。

雪崩击穿的条件：

电场足够强，能产生碰撞电离。

空间电荷区足够宽，引起雪崩倍增。

反偏压到一定程度时，会产生雪崩击穿。

影响雪崩击穿电压的因素：

杂质浓度及杂质分布（掺杂浓度越高，雪崩击穿电压越低）、外延层厚度、棱角电场、表面状况及工艺因素、温度（电压随温度升高而增大）

20. 扩散电容、势垒电容

扩散电容是正偏压下PN结存贮电荷随偏压变化引起的电容，随直流偏压的增加而增加。势垒电容和扩散电容的区别：

半导体物理---PN结习题

PN 结作业题 1、 For a silicon step pn junction, the n side has a net doping of 183210D N cm -=? and the p side has a net doping of 153510A N cm -=?. (1) Find the junction width. (2) Find the widths of the n side of the depletion region and the p side of the depletion region . (3) What is the built-in voltage? 2、 对GaAs 材料突变PN 结，完成第1题给出的计算要求。 3、(1) 如果PN 结的N 区长度远大于L p , P 区长度为W p , 而且P 区引出端处少数 载流子电子的边界浓度一直保持为0,请采用理想模型推导该PN 结电流-电压关系式的表达形式(采用双曲函数表示) (2) 若P 区长度远小于n L ,该PN 结电流-电压关系式的表达形式将简化为什么形式? (3) 若P 区长度远小于n L ,由上述（2）的结果推导PN 结总电流中()n p I x -和 ()p n I x 这两个电流分量之比的表达式? (4) 如果希望提高比值()/()n p p n I x I x -, 应该如何调整掺杂浓度A N 和D N 的大小? 提示: 两个区域可以分别采用两个坐标系，将坐标原点分别位于势垒区两个边界处，可以大大简化推导过程中的表达式 4． 已知描述二极管直流特性的三个电流参数是S I ＝1410-A 、SR I ＝1110-A 、KF I ＝0.1A 。请采用半对数坐标纸，绘制正偏情况下理想模型电流，势垒区复合电流和特大注入电流这三种电流表达式的I －V 曲线，并在此基础上绘制实际二极管电流随电压变化的曲线。 （提示：特大注入条件下，?? ? ??=KT eVa I I I 2exp KF S ） 5、A one-side step n p +junction diode with 17310a N cm -= and 19310d N cm -=has a junction area of 2100m μ. It is known that, for the minority carrier, 6310n s τ-=?, 220/n D cm s = (1) Please compare the junction capacitance and the diffusion capacitance under reverse bias (5a V V =-) (2) Compare the junction capacitance and the diffusion capacitance under forward bias (0.75a V V =+)

半导体PN结的物理特性

半导体PN结的物理特性 简介：半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一，它在实践中有着广泛的应用，如各种晶体管、太阳能电池、半导体制冷、半导体激光器、发光二极管都是由半导体PN结组成。本实验主要研究的两个问题是： （1）测量PN结扩散电流与电压的关系； （2）研究PN结电压与热力学温度的关系。 一、实验目的 （1）了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法； （2）测量PN结结电压与电流关系，证明此关系符合指数分布规律，用作图法求玻尔兹曼常数； （3）测量PN结结电压与温度的关系，求出PN结温度传感器的灵敏度； （4）计算在绝对零度时，半导体材料的禁带宽度。 二、实验仪器：FD-PN-4 PN结物理特性实验仪

三、 实验原理 1．PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数的测量 半导体在常温下PN 结电压与电流有如下指数关系： 0qU kT S I I e = （1） 公式（1）中0I 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，q 为电子电量，U 为电压。本实验用常规方法测量时，当PN 结电压较小时，PN 结没导通，通过的电流很弱，普通电流表很难准确测量，无法验证真实的电压电流关系和测量玻尔兹曼常数，而采用集成运放对弱电流放大可解决这些问题。 2．弱电流测量 实验装置如图1所示，所用PN 结由三极管提供，LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流－电压变换器，它可对弱电流放大并转换成电压形式。其工作原理如图2所示，S I 为被测弱电流，r Z 为电路的等效输入阻抗， f R 为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为0K ，运算放大器的输出电压为： 00i U K U =- （2） 由于运放输入阻抗i r 为无限大，反馈电阻f R 流过的电流近似为S I ， 00 00 1 () (1)i S f f f U U U I U R R R K -= =-+ ≈- （3） 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得S I ，将上式代入0qU kT S I I e =可 得： 102qU kT U U Ae == （4） 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图

【CN110085663A】一种半导体PN结及制作方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910373876.3 (22)申请日 2019.05.07 (71)申请人 无锡鸣沙科技有限公司 地址 214135 江苏省无锡市新吴区净慧东 道66号5号楼5307室 (72)发明人 何慧强　 (51)Int.Cl. H01L 29/06(2006.01) H01L 21/331(2006.01) H01L 21/336(2006.01) (54)发明名称一种半导体PN结及制作方法(57)摘要本发明涉及一种半导体PN结及制作方法，在衬底N0的正面有外延层N1，N0和N1是同种类杂质，并且N0的浓度比N1的浓度高；扩散掺杂区P1和P2连接为联合体，P1和P2是同种类型杂质，扩散掺杂区P1和P2联合体穿透外延层N1，P1和P2组成同类掺杂区与N0和N1组成的同类型掺杂区的界面连接，相比于衬底区PN结两侧的掺杂浓度，外延层区域PN结两侧的掺杂浓度低，因此拉伸了反向偏压状态下表面PN结空间电荷区的宽度，减小了表面PN结的电场强度，将击穿区域引导到衬底区，这样，PN结表面在受到外界不利因素的影响时，仍然拥有较理想的击穿值，而且击穿更稳定、 更可靠。权利要求书1页 说明书5页 附图4页CN 110085663 A 2019.08.02 C N 110085663 A

1.一种半导体PN结，特征在于：在衬底N0的正面有外延层N1，N0 和N1 是同种类杂质，并且N0 的浓度比N1的浓度高；扩散掺杂区P1和P2 连接为联合体， P1 和P2 是同种类型杂质，扩散掺杂区P1和P2 联合体穿透外延层N1，P1和P2 组成同类掺杂区与N0 和N1 组成的同类型掺杂区的界面连接。 2.根据权利要求1所述的半导体PN结，其特征在于：所述P1和P2的光刻窗口区面积相等。 3.根据权利要求1所述的半导体PN结，其特征在于：所述P1和P2的光刻窗口区重合。 4.根据权利要求1所述的半导体PN结，其特征在于：所述P1在P2的光刻窗口里或所述P2在P1的光刻窗口里面。 5.根据权利要求1所述的半导体PN结，其特征在于：所述衬底N0 的浓度在1e13 ~1e17atom/cm 3，衬底N0的厚度在100um ~750um。 6.根据权利要求1所述的半导体PN结，其特征在于：所述外延层N1的浓度1e12 ~1e16atom/cm 3，外延层的厚度1um ~100um。 7.根据权利要求1所述的半导体PN结，其特征在于：所述正面掺杂区P1 的峰值浓度1e15~1e21 atom/cm 3, 正面掺杂区P1的结深1-200um。 8.根据权利要求1所述的半导体PN结，其特征在于：所述正面掺杂区P2 的表面浓度1e15~1e21 atom/cm 3, 正面掺杂区P2的结深1-100um。 9.一种半导体PN结的制作方法，特征在于：包含以下加工步骤： 步骤一：在衬底N0 正面做P1掺杂，然后推进； 步骤二：在衬底N0 正面做N1 外延； 步骤三：在外延层N1上做正面P2掺杂，然后推进； 步骤四：在芯片正面做钝化； 步骤六：在芯片正反面做金属化。 权　利　要　求　书1/1页2CN 110085663 A

半导体基础知识及PN结

半导体基础知识及PN结 -------中国遥控网遥控技术的门户网有关遥控有关射频 有关无线通讯的专业文档资料站https://www.doczj.com/doc/bd11324809.html, https://www.doczj.com/doc/bd11324809.html,首页| 遥控制作（无线红外载波DTMF等）| 相关元器件| 基础知识| 标准、法规| │传感器单片机 自控CAD等综合版│ 基础知识>名词术语>半导体基础知识及PN结 日期:2004-11-14 20 作者: 来源:https://www.doczj.com/doc/bd11324809.html,半导体基础知识及PN结 在我们的日常生活中，经常看到或用到各种各样的物体，它们的性质是各不相同的。有些物体，如钢、银、铝、铁等，具有良好的导电性能，我们称它们为导体。相反，有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电，我们称它们为绝缘休(或非导体)。还有一些物体，如锗、硅、砷化稼及大多数的金属氧化物和金属硫化物，它们既不象导体那样容易导屯，也不象绝缘体那样不易导电，而是介于导体和绝缘体之间，我们把它们叫做半导体。绝大多数半导体都是晶体，它们内部的原

子都按照一定的规律排列着。因此，人们往往又把半导体材料称为晶体，这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。 物体的导电性能常用电阻率来表示。所谓电阻率，就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小，越容易导电；反之，电阻率越大，越难导电。 导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时，半导体的电阻率变化却很激烈；每升高1℃，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此，当温度较高时，整体电阻甚至下降到很小，以致变成和导体一样。 在金属或绝缘体中，如果杂质含量不超过干分之一，它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例，只要含杂质一千万分之一，电阻率就下降到原来的十六分之一。 锗是典型的半导体元素，是制造晶体管的一种常用材料（注：当前的半导体元器件生产以硅Silicon材料为主）。现以锗为例来说明如何会在半导体内产生电流、整流性能和放大性能。

半导体物理学[第六章pn结]课程复习(精)

山东大学《半导体物理》期末复习知识点 第六章 pn结 6．1 理论概要与重点分析 (1)pn结是将同种半导体材料的n型和p型两部分紧密结合在一起，在交界处形成一个结，即称为pn结。为使性能优越，一般采用合金法、扩散法、外延生长法和离子注入法等，改变其掺杂性质来实现这种“紧密接触”的。pn结是重要半导体器件，如结型晶体管及其相应的集成电路的工作核心。 设两种杂质的交界面为xj，如果 杂质有一个较宽的补偿过度阶段，为缓变结，较深的扩散法一般属此种情况。(2)由于在结的两边两种载流子相差悬殊而发生扩散。n区中的电子流入p区，在结附近留下不可以移动的电离施主；同样p区中的空穴流入n区在结的附近留下不可移动的电离受主，形成一个n区为正，p区为负的电偶极层，产生由n区指向p区的自建电场，此电场的作用是阻止载流子进一步相互扩散。或者说产生了一个与扩散相反的载流子漂移，当两者达到平衡时，载流子通过结的净流动为零，达到平衡。建立起一个稳定的空间电荷区和一个稳定的自建电场。n型的一边带正电，电动势高；p型一边带负电，电势低，所产生电动势差称为pn结接触电动势差。这个电动势差对n型区的电子和p型区的空穴各自向对方，运动都形成势垒，使整个结构在结区形成能带弯曲，其弯曲的高度称为势垒高度，它恰恰补偿了原来两边半导体中费米能级的高度差，使两边达到等高的统一费米能级。山东大学《半导体物理》期末复习知识点 (3)pn结上加正向电压V(p型一端接正，n型一端接负)时，外加电压电场与内建电场的方向相反，使内建电场减弱，势垒区变窄，势垒高度由平衡时的q VD变

为q(VD-V)。两区的费米能级分开为EnF-EpF=qV这时由内建电场引起载流子的漂 移减弱，扩散相对增强。于是有一个净的扩散电流从p区通过结流入n区，这便是pn结的正向电流。随外加电压V的增加，势垒高度越来越小，载流子漂移越来越小，扩散进一步增加。因此随外加正向电压的增加，正向电流迅速增大。在pn结上加反向电压(p型一端接负，n型一端接正)时，其外加电场方向与自建电场的方向相同，使势垒由平衡时的q VD增高为q(VD+V)，势垒区宽度变宽， 减少了多子的相互扩散，增加了少子的漂移。因此形成了一个由n区流向p区的净电流，称之为反向电流。但因少子的浓度低，而且只有扩散到势垒边界的少子才能被势垒区的强电场拉向另一边。所以反向电流很小，而且不随外加反向电压的增加而增加，达到饱和，因此称之为反向饱和电流。 这就定性地说明了pn结的整流效应。 (4)要推导出pn结的电流电压关系，可按下面的思路得到。 在外加偏压V下(暂时设其为正偏)，pn结势垒区的自建电场减弱，使p区和n区有少子的净注入，n区的电子注入p区变成p区的少子，p区的空穴注入n区，成为n区的少子，而积累在势垒区的边界。由于内部少子浓度比边界低，因此它们会从注入的边界向各自内部扩散。在忽略掉势垒区载流子的复合、产生和小注入的条件下，解两边少数载流子的稳态扩散方程，分别求出电压为V时，在势垒边界xn和(-xp)处空穴和电子的扩散电流密度，两者相加，即得到通过pn 山东大学《半导体物理》期末复习知识点

半导体和PN结

课题：半导体与PN结 学习目标1、了解半导体导电性质 2、掌握半导体的分类 3、掌握PN结的特性 学习难点半导体的导电性质 学习重点半导体的分类及PN结的特性 教学资源多媒体课件 教学过程教学方法和师生活动 引入 任何一件电子产品都是由性能不同的一些半导体 器件构成的，那么构成半导体器件的材料是半导体材 料，本节将学习半导体的有关知识。 引领下文 新授一、问题预设 1、什么是半导体？其导电能力与哪些因素有关系？ 2、半导体内有哪两种载流子？ 3、半导体可以分成哪几种？ 4、PN结的结构及特性是什么？ 二、要点点拔 1、半导体 教师提出问题（本 节课的学习目标），学 生带着问题看书，找到 问题的答案。

导电能力介于导体与绝缘体之间。常用的半导体 材料有硅和锗。 导电能力具有杂敏性和光敏性、热敏性。 2、两种载流子 空穴：运载正电荷 自由电子：运载负电荷 两种载流子在外电场的作用下，向相反的方向作定向移动，形成电流。 4、半导体的分类 纯净半导体（本征半导体） 杂质半导体：分P型半导体和N型半导体 P型半导体以空穴导电为主，N型半导体以自由电子导电为主。 5、PN结 将P型半导体和N型半导体紧密地压合在一起，交界处就会形成一个PN结。 PN结具有单向导电性： （1）正向导通：电源正极接P 型半导体，负极接N 型半导体，电流大。师生共同配合，以学生总结，教师点拔的方式解决本节课的目标知识要点。 多媒体演示PN 结的形成过程 通过实验得到PN 结的特性

（2）反向截止：电源正极接N 型半导体，负极接P 型半导体，电流小。 巩固练习1、常用于制造半导体器件的半导体材料是：（）和（）。 2、在纯净半导体中掺入微量的三价元素形成 的是（）型半导体。 3、在N型半导体中，多数载流子是（）。 4、温度（），将使半导体导电能力增强。 5、半导体具有（）性、（）性和（）性。 6、硅和锗两种半导体材料共同点是原子核最外 层有（）个电子。 小结、作业和板书设计 小结通过本节课的学习，重点掌握半导体的分类及PN结的特性作业课本P22 1-1题 板书设计 半导体与PN结 1、半导体的导电能力 2、半导体内的两种载流子 3、半导体的分类 4、PN结的形成

半导体第2章PN结总结

第二章 PN结 1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构。 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）。 2. PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。 3. 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结. 突变结杂质分布线性缓变结杂质分布 4. 空间电荷区：PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区。电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。空间电荷存在的区域称为空间电荷区。

5. 建电场：P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场——空间电荷区电场，也叫建电场。 PN结自建电场：在空间电荷区产生 缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场，电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区围输运。 大注入建电场：在空穴扩散区（这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。 6. 建电势差：由于建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做建电势差（用 表示）。 7. 费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。 准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区围，电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。 8. PN结能带图 热平衡能带图

平衡能带图 非平衡能带图 正偏压：P正N负 反偏压：P负N正 9. 空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区 势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。 耗尽区：空间电荷区的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。 中性区：PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)。 耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。 10. 单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布

PN结及半导体基础知识

什么是PN结及半导体基础知识 在我们的日常生活中，经常看到或用到各种各样的物体，它们的性质是各不相同的。有些物体，如钢、银、铝、铁等，具有良好的导电性能，我们称它们为导体。相反，有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电，我们称它们为绝缘休(或非导体)。还有一些物体，如锗、硅、砷化稼及大多数的金属氧化物和金属硫化物，它们既不象导体那样容易导屯，也不象绝缘体那样不易导电，而是介于导体和绝缘体之间，我们把它们叫做半导体。绝大多数半导体都是晶体，它们内部的原子都按照一定的规律排列着。因此，人们往往又把半导体材料称为晶体，这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。 物体的导电性能常用电阻率来表示。所谓电阻率，就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小，越容易导电；反之，电阻率越大，越难导电。 导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时，半导体的电阻率变化却很激烈；每升高1℃，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此，当温度较高时，整体电阻甚至下降到很小，以致变成和导体一样。 在金属或绝缘体中，如果杂质含量不超过干分之一，它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例，只要含杂质一千万分之一，电阻率就下降到原来的十六分之一。 锗是典型的半导体元素，是制造晶体管的一种常用材料（注：当前的半导体元器件生产以硅Silicon材料为主）。现以锗为例来说明如何会在半导体内产生电流、整流性能和放大性能 我们知道，世界上的任何物质都是由原了构成的。原子中间都有一个原子核和者围绕原子核不停地旋转酌电子。不同元素的原子所包含的电子数目是不同的。蔗原子的原子核周围有32个电子，围绕着原子核运动。原子核带有正电荷．电子带有负电荷；正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷数量相等，所以在平时锗原子是中性的。 电子围绕原子核运动，和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下，电子分成几层按完全确定的轨道运行，而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。如图所示：在锗原子核周围的32个电子组成四层环，围绕原子核运动。从里往外数，第一层环上有2个电子，其余依次为8、18、4个电子。凡是环上的电子数为2、8、18时．这些环上的电子总是比较稳定的。若环上的电子数不等于以上各数时，这些环上的电子总是不太稳定。 因此，锗原子结构中，第一、二、三层的电于是稳定的，只有第四层(即最外一“层)的4个电于是不稳定的。因最

二极管PN结原理.

PN结的定义:在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就形成了一个ＰＮ结。 ＰＮ结的形成 （1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结，如图1所示。 （2）在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗 尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。 （3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内 电场，如图2所示。

（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到 对方，使空间电荷区变窄。 （5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于 动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。 ＰＮ结的单向导电性 PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。 （1）外加正向电压（正偏） 当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图3所示。由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流IF。而 且IF随着正向电压的增大而增大。 （2）外加反向电压（反偏） 当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多子（空穴）和N区的多子（自由电子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流IR。由于在常温下，少数载流子的数量不多，

PN结基础知识

PN结 在我们的日常生活中，经常看到或用到各种各样的物体，它们的性质是各不相同的。有些物体，如钢、银、铝、铁等，具有良好的导电性能，我们称它们为导体。相反，有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电，我们称它们为绝缘休(或非导体)。还有一些物体，如锗、硅、砷化稼及大多数的金属氧化物和金属硫化物，它们既不象导体那样容易导屯，也不象绝缘体那样不易导电，而是介于导体和绝缘体之间，我们把它们叫做半导体。绝大多数半导体都是晶体，它们内部的原子都按照一定的规律排列着。因此，人们往往又把半导体材料称为晶体，这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。 物体的导电性能常用电阻率来表示。所谓电阻率，就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小，越容易导电；反之，电阻率越大，越难导电。 导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时，半导体的电阻率变化却很激烈；每升高1℃，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此，当温度较高时，整体电阻甚至下降到很小，以致变成和导体一样。 在金属或绝缘体中，如果杂质含量不超过干分之一，它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例，只要含杂质一千万分之一，电阻率就下降到原来的十六分之一。 锗是典型的半导体元素，是制造晶体管的一种常用材料（注：当前的半导体元器件生产以硅Silicon材料为主）。现以锗为例来说明如何会在半导体内产生电流、整流性能和放大性能。

我们知道，世界上的任何物质都是由原了构成的。原子中间都有一个原子核和者围绕原子核不停地旋转酌电子。不同元素的原子所包含的电子数目是不同的。蔗原子的原子核周围有32个电子，围绕着原子核运动。原子核带有正电荷．电子带有负电荷；正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷数量相等，所以在平时锗原子是中性的。 电子围绕原子核运动，和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下，电子分成几层按完全确定的轨道运行，而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。如图所示：在锗原子核周围的32个电子组成四层环，围绕原子核运动。从里往外数，第一层环上有2个电子，其余依次为8、18、4个电子。凡是环上的电子数为2、8、18时．这些环上的电子总是比较稳定的。若环上的电子数不等于以上各数时，这些环上的电子总是不太稳定。 因此，锗原子结构中，第一、二、三层的电于是稳定的，只有第四层(即最外一“层)的4个电于是不稳定的。因最外一层的电子没有填满到规定的数目。我们把最外一层的电子叫做价电子。一般来说，最外层有几个价电子，其原子价就为几。锗的最外层有4个价电子，所以锗的原子价为4。 受外界作用，环上的电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子，自由活动成为自由电子。这些自由电子在电场力的作用下，产生空间运动，就形成了电流。可以想像，由于最外层的价电子离核比较远，所受引力最小，所以最容易受外界影响而形成自由电子。因此，从导电性能看，价电子是很重要的。我们所说的锗元素就是依靠它最外层的4个价电子进行导电的。 锗晶体内的原子很整齐的排列着。各个原子间有相互排斥的力 量，而每个原子除了吸引自己的价电子外，还吸引相邻原子的 价电子。因此，两个相邻原子的价电子便成对地存在。这一对 电子同时受这两个原子核的吸引，为它们所“共有”。这两个 相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。这样，电子对就好 像起了键(联结)的作用，我们叫它共价键。每一个锗原子以其 4个价电子与其他4个锗原子的价电子组成4个共价键而达到 稳定状态。 在理想情况下，锗晶体中所有的价电子都织成了电子对，因此

半导体基本知识及PN结的形成过程

秦皇岛职业技术学校教案纸(正页)

为什么会出现这种现象呢？ 我们都知道内因决定外因，内部结构决定外部特性，之所以会有这种特性，就是由二极管内部结构决定的。 半导体物理基础知识 物质根据其导电性能分为 导体：导电能力良好的物质。 绝缘体：导电能力很差的物质。 半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。 我们常说的电子器件所用的半导体材料是指硅、锗、砷化镓。利用这些材料可以制造出各种用途的电子器件，如：三极管、二极管、稳压管等。其中用硅和锗材料的杂质半导体最为常见。下面就简单介绍一下半导体的基本知识。 1.1 本征半导体 硅和锗都是晶体，且都是四价元素，它们的原子是有规则地排列着，以硅为例，硅的每个原子均和相邻四个原子之间各拿出一个电子形成四个共价键。共价键内的两个价电子称为束缚电子，它们受原子核引力的约束形成一种稳定的结构。如果没有足够的外加能量,电子是不易摆脱共价键束缚的。我们称这种纯净的、结构完整的晶体结构的半导体为本征半导体（又称纯净半导体）。 整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶，硅和锗的单晶称为本征半导体，它是制造半导体器件的基本材料。 物质的导电能力是与物质当中能够参与导电的载流子的数目有关,也就是与载流子浓度的大小有关。在金属中只有一种载流子——自由电子，它是原子的外层电子。因为金属的外层电子很容易摆脱原子核的约束，成为自由移动的电子，使金属导电有了可能。

本征半导体的导电能力很弱，因为它的外层电子形成了共价键，价电子不容易摆脱束缚，也就不会有很多自由电子存在。载流子浓度小，自然导电能力差。但在一定的温度下，还是有一些共价键中的电子吸收热能，获得足够的能量挣脱出来成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，叫空穴。自由电子和空穴是成对出现的。我们把这个过程叫本征激发。同时还存在一个相反的过程，价电子成为自由电子后，由于热骚动，有可能自由电子又会和空穴相遇，释放出能量，使空穴和自由电子消失，我们把这个过程叫复合。在一定的温度下，本征激发和复合会达到一种动态平衡，形成一定浓度的自由电子，及相同浓度的空穴。自由电子和空穴在半导体中都可以移动，因此他们都是载流子。这与金属是不同的，金属中只有一种载流子，自由电子。 在本征半导体中，自由电子和空穴的浓度公式为： n i =p i 本征半导体中只有少量的载流子。它的导电能力很弱。 掺入的五价元素的每一 个原子都可提供一个自 由电子，从而使自由电子 的数目大大增加，远远超 过由热激发而产生的空 穴。故将这种半导体称为N 型半导体 导体中，自由电子是多数载流子，简称多子；而空穴是少数载流子，简称少子。

半导体第2章PN结情况总结

第二章PN结 1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构。 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）。 2. PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。 3. 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结. 突变结杂质分布线性缓变结杂质分布 4. 空间电荷区：PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区。电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。空间电荷存在的区域称为空间电荷区。

5. 内建电场：P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场——空间电荷区电场，也叫内建电场。 PN结自建电场：在空间电荷区产生 缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场，电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。 大注入内建电场：在空穴扩散区（这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。 6. 内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示）。

7. 费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。 准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内，电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。 8. PN结能带图 热平衡能带图 平衡能带图 非平衡能带图 正偏压：P正N负 反偏压：P负N正

9. 空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区 势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。 耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。 中性区：PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)。 耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。 10. 单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布