§4-1 PN结单向导电特性目的要求.doc

课 次 15 授课内容 §4-1 PN结单向导电特性 目的要求 1、了解半导体材料 2、知道PN结的特性 重 点 PN结导电特性 难 点 PN结导电特性 教学内容 与 时间分配 1、概述 15 2、半导体类型 30 3、PN结 30 4、PN结单向导电特性 15 教学方法 与 手 段 教师讲授与学生练习相结合；板书与多媒体课件相结合。 利用PowerPoint、flash对课堂内容做鲜明显示。 练习题 与 作业题 1、思考题：PN结在什么情况下正偏？什么情况下反偏？ 2、作业题：PN结为什么具有单向导电性？ §4.1 PN结的单向导电性 一、本征半导体 纯净的半导体称为本征半导体。 1）半导体的特性 按导电能力物质划分为:导体、绝缘体、半导体。 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。 有热敏性、光敏性和掺杂性。利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。 2）半导体的共价键结构 价电子：元素的最外层原子轨道上具有的电子。价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。 共价键结构：相邻的原子被共有的价电子联系在一起称之为共价键结构。如图4.1所示。 图4.1 硅和锗的共价键结构 自由电子：从外界获得一定的能量,挣脱了共价键束缚的少数价电子。 空穴：自由电子在原来共价键的相应位置上留下的空位称为空穴。 图4.2 本征激发产生电子空穴对示意图 自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。 本征激发：我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。 由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新的空位上,如图4.3所示。为了区别于自由电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等,符号相反。由此可见, 本征半导体中存在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同,如图4.3所示。 (a)N型半导体； (b)P型半导体 图4.4掺杂质后的半导体 图4.2本征激发产生电子空穴对示意图 二、杂质半导体 1）N型半导体 在纯净的半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如磷）后,就可成为N型半导 体,如图4.5(a)所示。在这种半导体中,自由电子数远大于空穴数, 电以电子为主,故此类半导体亦称电子型半导体。 2）P型半导体 在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质,如硼（或铟）等。硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子组成共价键时,因缺少一个电子,在晶体中便产生一个空穴。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具有导电性能。P型半导体共价键结构如图4.5(b)所示。在P型半导体中,空穴数远远大于自由电子数,空穴为多数载流子(简称“多子”),自由电子为少数载流子(简称“少子”)。导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴型半导体。 三、 PN结 1） PN结的形成 在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,称为空间电荷区,并产生内电场,其方向是从N区指向P区,内电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动,随着内电场的加强,多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交界面形成一个稳定的特殊的薄层,即PN结。因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电荷区又称为耗尽层。 2） PN结的单向导电特性 偏置电压：在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。 （1) PN结正向偏置 正向偏置：给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此时称 PN结为正向偏置(简称正偏),如图4.5所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多数载流子向 对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于正向导通状态。 （2) PN结反向偏置 图4.5 PN结加正向电压 图4.6 PN结加反向电压 反向偏置：给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏)。 如图46所示。由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的