PN结的单向导电性

半导体的基础知识-PN结原理一、半导体概念导体：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。二、半导体的导电机理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：1.掺杂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。2.热敏性和光敏性当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。三、本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）1、本征半导体的结构特点现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.1本征半导体结构示意图2、本征半导体的晶体结构当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。3、本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）4、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，即自由电子和空穴。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高,因此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。四、杂质半导体►在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就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浓度大大增加。杂质半导体有两种N型半导体P型半导体1、N型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。自由电子浓度远大于空穴的浓度电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。(本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。)2、P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体(或称空穴型半导体）。空穴浓度多于自由电子浓度空穴为多数载流子(简称多子），电子为少数载流子(简称少子)。+3(本征半导体掺入3价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有3个价电子，3与硅构成共价键，多余一个空穴。)说明：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体图杂质半导体的的简化表示法在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图PN结的形成一、PN结的形成1.2PN结PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN（动画1-3）3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差Uho——内电场；内电场阻止多子的扩散——阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成PN结。PNPN结二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.1.6PN什么是PN结的单向导电性？有什么作用？在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。耗尽层图1.1.7PN结加反向电压时截止反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS3、结论(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区(2)加反向电压（反偏）——电源正极接N区，负极接P区PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3．半导体的导电能力随温度升高而_______，金属导体的电阻率随温度升高而_______。A．降低／降低B．降低／升高C．升高／降低D．升高／升高1．用于制造半导体器件的半导体材料是_____。A．磷B．硅C．铟D．锗B、D2．在纯净半导体中掺入3价元素形成的是_______型半导体。A．PB．NC．PND．电子导电AD4．半导体的载流子随温度升高而_______，也就是说半导体的导电性能随温度升高而_______。A．减小／增强B．减小／减弱C．增加／减弱D．增加／增强D课堂巩固练习7．P型半导体中的多数载流子是_______。A．电子B．空穴C．电荷D．电流5．半导体的导电能力在不同条件下有很大差别，若_______导电能力会减弱A．掺杂非金属元素B．增大光照C．降低环境温度D．掺杂金属元素C6．在PN结的两端通过一块电流表短接，回路中无其它电源，当用光照射该半导体时，电流表的读数是_______。A．增大B．减小C．为零D．视光照强度而定B8．N型半导体中的多数载流子是_______。A．自由电子B．空穴C．电荷D．电流AC9．在晶体硅、锗中，参于导电的是_______。A．离子B．自由电子C．空穴D．B和CD10．在半导体两端加上外电压时，半导体中出现的电流是____。A．自由电子电流B．空穴电流C．离子电流D．A和BD11．关于P型、N型半导体内参与导电的粒子，下列说法正确的是_______。A．无论是P型还是N型半导体，参与导电的都是自由电子和空穴B．P型半导体中只有空穴导电C．N型半导体中只有自由电子参与导电D．在半导体中有自由电子、空穴、离子参与导电A12．N型半导体中，主要靠_______导电，_______是少数载流子。A．空穴／空穴B．空穴／自由电子C．自由电子／空穴D．自由电子／自由电子C13．P型半导体中，主要靠_______导电，_______是少数载流子A．空穴／空穴B．空穴／自由电子C．自由电子／空穴D．自由电子／自由电子B14．下列PN结两端的电位值，使PN结导通的是_______。A．P端接十5V，N端经电阻接十7VB．N端接十2V，P端经电阻接十7VC．P端接一3V，N端经电阻接十7VD．P端接十1V，N端经电阻接十6VB15．在半导体PN结两端加_______就可使其导通A．正向电子流B．正向电压C．反向电压D．反向电子流B