北科大电子技术第14章

本征半导体载流子的浓度
自由电子在运动过程中如果和空穴相遇就会填补 空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
在一定的温度下自由电子和空穴的产生和复合达 到动态平衡，半导体中的载流子维持一定的数目。
但是由于这时的载流子数量很少，所以导电能 力很差。
温度越高，热运动加剧，自由电子和空穴 增多，载流子的浓度越高，本征半导体的导 电能力越强，温度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。
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化 -- 热敏特性、光敏特性。
• 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 -- 掺杂特性。
(14-4)
14.1.1 本征半导体
一、本征半导体的结构
现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗 (Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
(14-19)
课堂练习
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动
(14-11)
本征半导体中电流由两部分组成： 当本征半导体外加电场时
+4
+4
+4
+4
1. 自由电子做定向运动 所形成的电子电流。
2. 仍被原子核束缚的价 电子按一定方向依次 填补空 穴形成的空 穴电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
(14-12)
(14-9)
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4
束缚电子
自由电子、空穴成对出现
(14-10)
2.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： 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴可吸引附近的电子 来填补，其结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可认为空穴是 载流子。
(14-8)
二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时， 价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有 可以自由运动的带电粒子（即载流子），它的 导电能力为 0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
北科大电子技术 第14章
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电子技术 模拟电路部分
第十四章 半导体器件
(1-1)
第十四章 二极管和三极管
§ 14.1 半导体的导电特性 § 14.2 PN结及其单向导电性 § 14.3 二极管 § 14.4 稳压二极管 § 14.5 晶体管 § 14.6 光电器件
(14-2)
§14.1 半导体的导电特性
(14-16)
二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼（或铟），
晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原
子的最外层有三个
价电子，与相邻的半 导体原子形成共价键
空位
Si
时产生一个空位。这
空穴 Si
个空位可能吸引束缚
பைடு நூலகம்
电子来填补，使得硼
+3
Si
原子成为不能移动的 硼原子
带负电的离子。
P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。
(14-13)
14.1.2 N 型半导体和P 型半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使 半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂 半导体的某种载流子的浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
Ge
Si
原子结构图
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
(14-5)
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
硅和锗的 晶体结构：
在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中 心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与 其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
(14-6)
硅和锗的共价键结构
(14-18)
三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体中多子和少子的移动都可形
成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要
是多子，受温度影响较小。
一般近似认为多子与杂质浓度相等。
+4表示 除去价电 子后的原
子
Si
Si
+4
Si
共价键、 共用电子对
价电子
(14-7)
+4
+4
+4
+4
共价键形成后，每个原子 最外层电子是八个，构成比 较稳定的结构。
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称 为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为 自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所 以本征半导体的导电能力很弱。
Si Si +5 Si
(14-15)
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由五价元素提供的电子，浓度与五价元素原子相同。 2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。
因掺杂浓度远大于本征半导体中载 流子浓度，所以自由电子浓度远大于空 穴浓度。自由电子称为多数载流子（多 子），空穴称为少数载流子（少子）。
导体、半导体和绝缘体
导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(14-3)
半导体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：
(14-14)
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代， 磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个
电子几乎不受束缚， 很容易被激发成为 自由电子，这样磷
多余 电子
原子就成了不能移
动的带正电的离子。 磷原子
(14-17)
三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
P 型半导体：三价原子接受电子成为带电负离子 空穴是多子
N 型半导体：五价原子给出电子成为带电正离子 自由电子是多子