半导体的导电特性
半导体的特性
一、本征半导体的导电特性1.导体、绝缘体和半导体自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。
如金、银、铜、铝、铁等金属材料很容易导电，我们称它们为导休。
导体的电阻率小于10-6cm。
如陶瓷、云母、塑料、橡胶等物质很难导电，我们称它们为绝缘体。
绝缘体的电阻率大于108cm。
有一类物质，如硅、锗、硒、硼及其一部分化合物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称之为半导体。
半导体的电阻率在10-6～108之间。
众所周知，导体具有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，它们都是很好的电工材料。
我们用导体制成电线，用绝缘体来防止电的浪费和保障安全。
而半导体却在很长时间被人们所不齿，因为它的导电性能不好，绝缘性能又差。
然而它的不公正待遇随着人们对它所产生的愈来愈浓厚的兴趣消失了，它终于登上了大雅之堂！这是为什么呢？这是因为它具有一些可以被人们所利用的奇妙特性。
半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体。
在什么情况下呢？①掺杂：在纯净的半导体中适当地掺入极微量（百万分之一）的杂质，就可以引起其导电能力成百万倍的增加。
②温度：当温度稍有变化，半导体的导电能力就会有显著变化。
如温度稍有增高，半导体的电阻率就会显著减小。
同理光照也会影响半导体的导电能力。
2.本征半导体的原子结构本征半导体——非常纯净且原子排列整齐的半导体。
（纯度约为99.999999999%。
即杂质含量为10的9次方分之一。
）硅原子一14个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在三层电子轨道上。
锗原子一32个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在四层电子轨道上。
由于原子核带正电与电子电量相等，正常情况下原子呈中性。
由于内层电子受核的束缚较大，很少有离开运动轨道的可能。
所以它们和原子核一起组成惯性核。
外层电子受原子核的束缚较小。
叫做价电子。
硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素，其简化图见电子课件。
第1章 半导体二极管和晶体管
型求出 IO 和 UO 的值。
+ UD -
解:
1、理想模型
UO = V = 6 V
E
IO = E / R = 6 / 6 = 1 (mA)
+
2 V ID
R UR
6KΩ
-
2、恒压降模型
UO = E – UD = 6 0.7 = 5.3 (V) IO = UO / R = 5.3 / 6 = 0.88 (mA)
反向击穿电压 I/mA 反向饱和电流
硅几 A
锗几十~几百 A UBR
硅管的温度稳
IS
O
U/V
定性比锗管好 反向 饱和电流
36
（二）极间电容
第三节、半导体二极管
C
1、PN结存在等效结电容
PN结中可存放电荷,相 当一个电容。
PN
+ ui –
R
– 2、对电路的影响：外加交流电源
+
时，当频率高时，容抗小，对PN
14
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
多一个 价电子
4
+5
4
掺杂
4
4
4
15
本征激发
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
4
+5
4
掺杂
正离子
电子
4
4
4
多子-------电子 少子-------空穴
N型半导体示意1图6
第一节、半导体的导电特性
P型半导体
多一个 空穴
4
+3
4
掺杂
4
4
4
17
本征激发
第一节、半导体的导电特性
半导体
半导体半导体简介：顾名思义：常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）。
我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。
而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。
可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。
半导体定义：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。
半导体室温时电阻率约在10E-5～10E7欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。
半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。
有元素半导体，化合物半导体，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
半导体材料：半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。
正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。
半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。
1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。
2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料，包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
3.无定形半导体材料，用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。
4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。
制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。
半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。
常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。
p型半导体和n型半导体导电能力
P型半导体和n型半导体导电能力半导体材料是一类在电子学领域中具有重要应用的材料，它具有介于导体和绝缘体之间的导电特性。
而p型半导体和n型半导体是半导体材料中的两种重要类型，它们的导电能力是半导体器件工作的关键。
本文将从p型半导体和n型半导体的导电能力特性入手，探讨它们在电子器件中的应用。
一、p型半导体的导电能力1. 杂质掺杂p型半导体是指在纯净的半导体材料中，由外加杂质掺入使其导电类型转变为正电荷载流子的半导体。
常用的杂质有铝（Al）、硼（B）等。
p型半导体的导电能力主要来源于由掺杂杂质形成的空穴（正电荷载流子）。
2. 导电特性由于p型半导体中的空穴为主导电载流子，因此其导电特性取决于空穴的迁移率和扩散率。
相比n型半导体而言，p型半导体的导电能力较弱，但在一些特定的电子器件中，p型半导体也具有重要的应用价值。
二、n型半导体的导电能力1. 杂质掺杂n型半导体是指在纯净的半导体材料中，由外加杂质掺入使其导电类型转变为负电荷载流子的半导体。
常用的杂质有磷（P）、砷（As）等。
n型半导体的导电能力主要来源于由掺杂杂质形成的自由电子（负电荷载流子）。
2. 导电特性由于n型半导体中的自由电子为主导电载流子，因此其导电特性取决于自由电子的迁移率和扩散率。
相比p型半导体而言，n型半导体的导电能力较强，因此在电子器件中得到广泛的应用。
三、p型半导体和n型半导体的应用1. 集成电路在集成电路中，p型半导体和n型半导体往往交替排列，形成复杂的电路结构。
通过p-n结的形成，可以实现整流、放大、开关等各种功能，为现代电子设备的发展提供了重要的支持。
2. 光电器件在光电器件中，p型半导体和n型半导体可以形成光电二极管、太阳能电池等器件，将光能转化为电能，具有广泛的应用前景。
3. 光电子器件光电子器件利用p型半导体和n型半导体的光电转换特性，实现光信号的检测、放大和处理，被广泛应用于通信、显示、医疗等领域。
p型半导体和n型半导体作为重要的半导体材料类型，其导电能力及应用具有重要的理论和实际意义。
半导体与PN结半导体材料与PN结的特性
半导体与PN结半导体材料与PN结的特性半导体与PN结：半导体材料与PN结的特性半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有在特定条件下能够导电的特性。
与导体相比，半导体的电导率较低，但比绝缘体高，这使得半导体在现代电子器件中发挥着重要的作用。
而PN结是半导体器件中最基本的组成部分之一，它由P型半导体和N型半导体的结合所形成。
本文将详细介绍半导体材料和PN结的特性。
一、半导体材料的特性半导体材料是由一些三价或五价元素构成的晶体结构。
根据元素的导电性质，半导体可分为N型和P型两种类型。
1. N型半导体N型半导体中，杂质原子被掺入半导体晶体中，这些杂质原子具有多余的电子，又称为施主原子。
施主原子释放出的自由电子增加了半导体中的载流子浓度，使其成为导电性质较好的材料。
2. P型半导体P型半导体中，杂质原子具有较少的电子，又称为受主原子。
受主原子缺少的电子形成了空穴，这些空穴能够传导电流，使P型半导体具有导电性能。
半导体的导电特性主要由两个载流子类型决定：自由电子和空穴。
通过对半导体材料进行掺杂可以调控载流子的浓度，从而控制半导体器件的电性能。
此外，半导体材料还具有热电效应、光电效应等特性，在电子学和光电子学领域有着广泛的应用。
二、PN结的特性PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散和结合形成的。
在PN结中，P区和N区形成了一个电势垒，这个电势垒对电子和空穴的运动具有一定的限制。
1. 电势垒PN结的P区和N区的杂质浓度不同，形成了一个P-N结的交界面。
在该交界面附近，由于杂质原子的离子化作用，P区中形成了正离子，N区中形成了负离子，从而在交界面上形成了电势差。
这个电势差形成了电势垒，限制着载流子的运动。
2. 正向偏置当外加电压的正极连接到P区，负极连接到N区时，电势垒的宽度会减小，使得载流子能够穿越过电势垒自由移动，形成电流。
这种情况下，PN结处于正向偏置状态。
正向偏置下的PN结具有导电性质。
3. 反向偏置当外加电压的正极连接到N区，负极连接到P区时，电势垒的宽度会增加，限制了载流子的运动。
半导体的导电特性
半导体
本征半导体 杂质半导体
P型半导体(空穴型） N型半导体（电子型）
常用半导体材料硅和锗的原子结构
价电子：最外层的电子受原子核的束缚最 小，最为活跃，故称之为价电子。 最外层有几个价电子就叫几价元素， 半导体材料硅和锗都是四价元素。
Si+14 2 8 4
Ge+32 2 8 18 4
2. 半导体的内部结构及导电方式：
一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
(1) 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层 的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的 电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。
图 01.09 势垒电容示意图
(2) 扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧 面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散 到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形 成正向电流。刚扩散 过来的电子就堆积在P 区内紧靠PN结的附近， 形成一定的多子浓度 梯度。
vi
RL vo
vo
t
例3：设二极管的导通电压忽略，已知
vi=10sinwt(V)，E=5V，画vo的波形。
vi 10v
5v
R
t
D
vo
vi
E
vo
5v
t
例4：电路如下图，已知v=10sin(t)(V)，
E=5V，试画出vo的波形
vi
解：
t
vD
t
例5：VA=3V, VB=0V，求VF (二极管的导 通电压忽略)
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示
V
I IS (e VT 1)
式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降 ，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数 ，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相 当T=300 K），则有VT=26 mV。
6-1 半导体的导电特性
6-1 半导体二极管半导体元器件是现代电子技术的重要组成部分，是构成各种电子电路的核心，常用的半导体元器件有二极管、晶体管、场效应管等。
半导体元器件由半导体材料制成，因此，学习电子技术应首先了解半导体材料的特性，这将有助于对半导体元器件的学习、掌握和应用。
6-1-1 半导体的导电特性1. 半导体的导电机理导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、硼、砷、铟等，他们的电阻率在10-3～107欧.厘米。
绝对纯净的硅、锗、磷、砷、硼、铟叫做本征半导体。
（1）本征半导体及特点半导体材料的广泛应用，并不是因为它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，而是它们具有一些重要特性：1）当半导体受到外界光和热的激发（本征激发）时，其导电能力发生显著的变化；2）若在本征半导体中加入微量的杂质（不同的本征半导体）后，其导电能力显著的增加；半导体的这些特点取决于这类物质的化学特性。
（2）半导体的共价键结构1)半导体的化合价物质的化学和物理性质都与物质的价电子数有密切的关系，半导体材料大都是三、四、五价元素。
硅、锗（四价）、磷、砷（五价）、硼、铟（三价）。
2)化学键物质化学键分离子键、共价键和金属键三种，半导体物质的化学键都属于共价键的晶体结构，同时它们的键长一般很长，故原子核对价电子的束缚力不象绝缘物质那样紧，当价电子获得一定的能量后，就容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4可见半导体中的载流子有两种，即自由电子（●）和空穴(○)。
本征半导体的载流子是由本征激发而产生的，其自由电子与空穴是成对出现，即有一个自由电子，就一定有一个空穴，故称电子空穴对。
由于空穴带正电，容易吸引邻近的价电子来填补，从而形成了共有价电子的运动，这种运动无论从效果上，还是从现象上，都好象一个带正电的空穴在移动，它不同于自由电子的运动，故称之为空穴运动。
物质的导电是靠物体内带电粒子的移动而实现的，这种粒子称作载流子。
半导体的三个特性[1]
![半导体的三个特性[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/2d39725b80eb6294dd886cb6.png)
2.掺杂特性 往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。
N 型半导在体本：征在半硅导或体锗中晶掺体入中某掺些入微少量量的的杂五质价，元就素会磷使（半或导锑体）
的导电性能而发形生成显。著也变称化为。（其电原子因半是导掺体杂）半。导体的某种 P 型载半流导子体浓：度在大硅大或增锗加晶。体中掺入少量的三价元素，如硼(或
6.1 半导体
6.1.1 半导体的三个特性
6.1.2 PN 结
6.1 半导体
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，如铁、铜、铝等。
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。
铟)而形成，也称为（空穴半导体）。
多余 电子
+ +++++
++4+ + ++4+ +
+ + +－+－+－+－ － － + + +－+－+－+－ －N载－型流半子导是体什中么的？
杂质型半+导体+ 多+ 子+和+少+子的移+ 动+都+能－+形－成+－电+－流。－但－由于数
量 质的浓关度系相++，等5起。+ 导+ 电++作4+用+的主要+ 是N+多型+子－半+。导－近+体－似+－认为－多－子与杂
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半导体二极管和三极管
3. P型半导体 型半导体
当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素) 时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼 原子的外层电子数将是 7 ，比稳定结构少一个价电 子。
Si Si Si B Si 空穴 Si Si
+
B
半导体二极管和三极管
掺硼半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数 硼 的数目远大于自由电子 ，空穴的数目远大于自由电子的数 空穴为多数载流子 自由电子是少数载流子， 多数载流子， 目。空穴 多数载流子，自由电子是少数载流子， 这种半导体称为空穴型半导体 空穴型半导体或 型半导体 型半导体。 这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。 一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可 达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数 目将增加几十万倍。 不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多 数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。
半导体二极管和三极管
一、本征半导体
完全纯净、 完全纯净、具有晶体结构的半导体
最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同 四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。 特征是四价元素 四价元素
+
Si
+
Ge
半导体二极管和三极管
提纯的硅材料可形成单晶 单晶——单晶硅 单晶 单晶硅 相邻原子由外层电子形成共价键 共价键
半导体二极管和三极管
2. N型半导体 型半导体
当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素) 时，磷原子与周围的四个硅原子形成共价键后，磷 原子的外层电子数将是 9 ，比稳定结构多一个价电 子。
Si Si Si P Si Si Si 多余 电子
+
P
半导体二极管和三极管
掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目 磷 ，自由电子的数目 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式， 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式， 称之为电子半导体或N型半导体 型半导体。 称之为电子半导体或 型半导体。 在N型半导体 电子 多数载流子、空穴 少数 型半导体中电子 空穴是少 型半导体 电子是多 子 空穴 载流子。 子 室温情况下，本征硅中n0=p0~1.5×1010/cm3，当磷 掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几 十万倍。
半导体二极管和三极管
§ 15-1. 半导体的导电特性
半导体：导电能力介于导体和半导体之间的材料。 半导体：导电能力介于导体和半导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅 常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化 物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。 物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。 半导体材料的特性： 半导体材料的特性： 1. 纯净半导体的导电能力很差； 纯净半导体的导电能力很差； 2. 温度升高 温度升高——导电能力增强； 导电能力增强； 导电能力增强 3. 光照增强 光照增强——导电能力增强； 导电能力增强； 导电能力增强 4. 掺入少量杂质 掺入少量杂质——导电能力增强。 导电能力增强。 导电能力增强
共价键
半导体二极管和三极管
价电子受到激发，形成自 激发， 价电子 激发 自 由电子并留下空穴。 空穴。 由电子 空穴 自由电子和空穴同时产生 自由电子和空穴同时产生 同时 半导体中的自由电子 空 自由电子和空 自由电子 穴都能参与导电——半导 体具有两种载流子。 载流子的产生 复合： 产生与复合 产生 复合：
价电子
硅原子
共价键
半导体二极管和ห้องสมุดไป่ตู้极管
本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现， 同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子 的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度 与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多， 导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能 影响很大。 半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自 由电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多， 产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强。 故半导体器件对光照很敏感。 杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍。
半导体二极管和三极管
型半导体和 型半导体 二. N型半导体和P型半导体 型半导体
1. 本征半导体 掺杂半导体 征半导体与掺杂半导体 征半导体 在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少 的，其导电能力相当低。 如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺 掺 杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高 掺杂半导体的导电能力将大大提高。 杂半导体 掺杂半导体的导电能力将大大提高 由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体 掺杂半导体可分为两大 两大 掺杂半导体 类——N型半导体 P型半导体 型半导体和 型半导体。