五、PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。
(1) 势垒电容Cb
表征耗尽层内电荷量的变化。
(2)扩散电容Cd 表征耗尽层外中性区(P区和N区)内电荷量的变化。
(1) 势垒电容Cb
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电 相同，其等效电容称为势垒电容Cb。
当PN结外加正向电压，且u >>UT时，
qu kT
即i随u按指数规律变化；
当PN结外加反向电压，且| u |>> UT时，
当反向电压超过一定数值后， 反向电流急剧增加，称为反向 击穿。 击穿：齐纳击穿、雪崩击穿
①齐纳击穿
掺杂浓度越高，耗尽层宽度窄
不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接 破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空 穴对，致使电流急剧增大。
(2) 扩散电容Cd
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过 程，其等效电容称为扩散电容Cd。 外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面处的非平 衡少子浓度高，而远离交界面的地方浓度低，浓度自 高到低逐渐衰减，直至零。形成一定的浓度梯度（浓 度差），形成扩散电流。
空穴 空间电荷区 耗尽层 电子
P区
内电场
N区
二、 PN结的单向导电性
在 PN结的两端外加电压，破外原来的平衡状态。
①外加正向电压
电源正极接PN结的P端，负极接N端
P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置或正向接法。
②外加反向电压 电源负极接PN结的P端，正极接N端
(1)
PN结加正向电压时的导电情况
∴齐纳击穿电压较低，一般低于4V ②雪崩击穿 掺杂浓度较低，耗尽层宽度宽
低电压下不会发生齐纳击穿，当反向电压增加到较大数值 时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中 的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子—空穴 对，新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其它价电子， 载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加。
多余电子 正离子
+4 +5
+4
常温下，热激发
施主原子
+4
自由电子
杂质原子可以提供电子，称之为施主原子。
N型半导体中的电子产生：
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。 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，主要靠自由电子导电。 注：掺入杂质的浓度不同，导电性不同
第一章 常用的半导体器件
1.1 半导体基础知识
①导体：非常容易导电 一般金属都是导体
结构：低价元素，最外层电子少于4个 其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
基本不导电 如：橡胶、陶瓷、塑料等 ②绝缘体：
高价元素，原子的最外层电子受原子核的束缚力很强
③半导体： 导电性能介于导体和绝缘体之间 常用的硅、锗均为四价元素
雪崩击穿电压一般大于6V
击穿电压介于4V~6V，齐纳击穿和雪崩击穿有可 能同时发生。
PN结的击穿并不意味着损坏，但是若不对电流加以 限制都均可能造成PN结的永久损坏。 当反向电压增加使PN结刚开始击穿时，反向电流还不大， 此时若降低反向电压，PN结仍能正常工作。（电击穿） 当电击穿后，继续提高反向电压，流过PN结的反向电 流增大到一定值，会使PN结因过热而损坏。（热击穿）
EGO (2 kT )
ni pi K1T e
3 2
T=0K，自由电子与空穴的浓度均为零，本征半导体为绝缘体。
本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入掺入少量合适的杂质元素
一、N型半导体 掺入五价元素（如磷）
杂质原子最外层有五个价电子，除了与其它硅原子形 成共价键，还多出一个电子。
空穴带正电
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。
半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为 本征激发。
本征半导体外加电场： ①自由电子定向移动，形成电子电流 ②价电子依次填补空穴，空穴定向移动，形成空穴电 流 本征半导体电流是两个电流之和。 本征半导体中有两种载流子，自由电子和空穴均参与导电。
∴ N型半导体中：自由电子为多数载流子（多子），空
穴为少数载流子（少子）。
二、P型半导体
掺入三价元素（如硼） 杂质原子最外层有三个价电子，与周围原子形成共 价键会形成空位。
硅原子的外层电子来填补空位，在共价键中产生空穴。
受主原子
+4
+4
空穴
+3
+4
P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。
杂质半导体简化模型
1.1.1 本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体材料是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。
硅和锗的晶体结构
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。即本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
一、本征半导体的晶体结构
晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，它们分别与 周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为 这些原子所共有，并为它们所束缚，形成本征半导体的共价 键结构。
外加正向电压增大，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度 增大。从外部看即正向电流（扩散电流）增大。
扩散电容示意图
(3) 结电容Cj
PN结的结电容Cj是Cb与Cd之和，即：
Cj= Cb +Cd
PN结加正向电压时的导电情况如图所示。 外加的正向电压方向 与PN结内电场方向相反， 削弱了内电场。于是,内 电场对多子扩散运动的 阻碍减弱，扩散电流加 大。 扩散电流源源不断进 行，形成正向电流，PN 结导通。
(2)PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了 内电场。内电场阻止扩散运动进行，加剧漂移运动，形成 反向电流。
i I S (e kT 1)
IS—反向饱和电流，q—电子的电量 k—玻尔兹曼常数，T—热力学温度 令UT=kT/q，则得：
u UT
i I S (e
1)
常温下，即T=300K时，UT≈26mV。四、PLeabharlann 结的伏安特性i I S (e
qu kT
1)
i IS e
i ≈- I S
交界面处自由电子 与空穴复合
形成内电场，由N区指向P区。
促使少子漂移 阻止多子扩散
最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡 P型半导体和N型半导体结合面，形成PN结。
动画：PN结的形成
漂移运动
P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 空间电荷区
+4
+4表示除去价 电子后的原子
+4
共价键共 用电子对
+4
+4
常温下价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，本征半导体的导电能力很弱。 温度升高或受到光的照射时，有的价电子可以挣脱原子 核的束缚，而参与导电，成为自由电子。
空穴
+4
+4
自由电子(带负电） 原子带正电
+4
+4
负电子 （受主原子） 空穴 空 穴 自由电子 正电子 （施主原子）
自由电子
P型半导体
N型半导体
1.1.3 PN结
一、PN结的形成 将P型半导体和N型半导体制作在同一硅片上
在P型半导体和N型半导体的交界面处，两种载流子 的浓度差很大，载流子进行扩散运动。
P区的空穴向N区扩散
N区的电子向P区扩散 P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能 移动的，称为空间电荷区。
漂移运动使空间电荷 区逐渐变窄
内电场EN型半导体 + + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
扩散运动使空间电荷 扩散运动 区逐渐变宽
当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度 和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩 散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生 的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流 过PN结的电流为0。 扩散电流等于漂移电流，PN结内没有电流流过。
思考题： 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。
2. 在杂质半导体中少子的数量与 b 。 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多） 。
三、PN结的电流方程
理论分析表明：PN结所加端电压u与流过它的电流i的 qu 关系为：
特殊性质
电子空穴对D:\模电\第1章 常用半 导体器件\动画\电子空穴对的产 生.avi的产生
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
二、本征半导体中载流子的浓度
一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的， 且自由电子与空穴的浓度相等。 温度升高，热运动加剧，自由电子增多，空穴也随 之增多，即载流子的浓度升高，导电性能增强。 本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。