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第一章 电路和电路元件 上海大学 自动化系 2009.10  几个概念 （1）本征激发：当本征半导体的温度升高或受到光照时，某些共价键中的价电子从外界获得能量而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子→→→空穴。这种现象称为本征激发。 　　　本征激发形成: 电子 - 空穴对 （2）自由电子：价电子获得外部能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子，带负电荷。 （3）空 穴：价电子成为自由电子后在共价键中留下的空位，带正电荷。 （4）电子-空穴对：本征激发形成电子-空穴对。 （5）漂移电流： 自由电子在电场作用下定向运动形成的电流称为漂移电流。 （6）空穴电流： 空穴在电场作用下定向运动形成的电流称为空穴电流。 因为 相对于电子电流，价电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在与价电子运动相反的方向运动，因而空穴相对来说带正电荷，故其运动形成空穴电流。 （7）复 合： 自由电子在热运动过程中和空穴相遇而释放能量，造成电子-空穴对消失，这一过程称为复合。 结论 一般来说： 本征半导体，在热力学温度T=0k（开尔文）和没有外界影响如：光照、加热、外加电场等的条件下，其价电子均被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，所以不带电。 在半导体中存在两种载流子（运动电荷的载体）即：自由电子→→带负电 ； 空 穴→→带正电 。 在电场作用下，电子的运动将形成电子电流，而空穴的运动则形成空穴电流， 在同一电场作用下，两种载流子的运动方向相反，是因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的。 电子电流与空穴电流的总和即半导体中的电流。 从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能随温度升高而迅速增大，这一点在今后的学习中非常重要。 注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很小的百分数，比如：硅的原子密度为 4.96×1022cm-3 因此，nisi仅为它的三万亿分之一，可见本征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率约为2.2×105Ωcm）。 结论 不论P型或N型半导体，掺杂越多，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子数目越少，其浓度也小。 掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，表明其导电能力显著增大。 在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相当（不绝对相等），杂质半导体又回复到类似的本征半导体。 注意： 在今后的分析中，我们会遇到这样的问题：少子浓度的温度敏感特性是导致半导体器件温度特性变差的主要原因。 而掺入不同的杂质，就能改变杂质半导体的导电类型，这也是制造PN结和半导体器件的一种主要方法。 思考题： 1. 电子导电与空穴导电有什么区别？空穴电流是不是自由电子递补空穴所形成的？ 2.杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎么产生的？为什么杂质半导体中的少数载流子比本征半导体中的浓度还小。 3.N型半导体中的自由电子多于空穴，P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，P型半导体带正电？ ③ 空间电荷区 —— 在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。 ④ 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。 ⑤ 耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。 PN结内部载流子的运动过程如下：（无外加电场作用时） ｛N 区电子→→P 区 ｝ ID PN结两端掺杂浓度不均 →→ 扩散运动→→｛ ｝→→→ ｛P 区空穴→→N 区 ｝ ｛ P 区：电子 → 与空穴复合 →→ 空间电荷区↑宽｝ 复合→→｛ ｝→ →→ ｛ N 区：空穴