2、P型半导体:硼只有三个价电子,在与相邻的硅原子形成共价键 时,缺少一个价电子,因而形成一个空穴,这个空穴不是释放价电 子形成的,不会同时产生自由电子,而自由电子因与空穴相遇而复 合机会增加浓度反而更小了 当空穴由相邻共价键中的价电子填补时(相当于空穴移动) 硼原子由于接受一个电子成为带负电的硼离子(受主杂质能级比较 低,接近价带,常温下价带中价电子很容易获得能量来填补这个能 级,从而产生空穴),因其接受电子而产生空穴,称为受主杂质 3、杂质半导体的载流子浓度:在杂质半导体中,载流子是由杂质 电离和本征激发两个过程产生的,杂质电离只能产生一种载流子 (施主杂质是自由电子,受主杂质是空穴),在常温下杂质原子几 乎全部电离,由杂质电离产生的载流子浓度等于掺入杂质的浓度 掺杂越多,多子数目就越多,少子数目就越少,但它们之间的定量 关系服从下面两个约束
2、P型半导体：硼只有三个价电子，在与相邻的硅原子形成共价键 时，缺少一 个价电子，因而形成一个空穴，这个空穴不是释放价电 子形成的，不会同时 产生自由电子，而自由电子因与空穴相遇而复 合机会增加浓度反而更小了。 当空穴由相邻共价键中的价电子填补时（相当于空穴移动）， 硼原子由于接 受一个电子成为带负电的硼离子（受主杂质能级比较 低，接近价带，常温下 价带中价电子很容易获得能量来填补这个能 级，从而产生空穴），因其接受 电子而产生空穴，称为受主杂质。 3、杂质半导体的载流子浓度：在杂质半导体中，载流子是由杂质 电离和本征激 发两个过程产生的，杂质电离只能产生一种载流子 （施主杂质是自由电子， 受主杂质是空穴），在常温下杂质原子几 乎全部电离，由杂质电离产生的载 流子浓度等于掺入杂质的浓度。 掺杂越多，多子数目就越多，少子数目就越 少，但它们之间的定量 关系服从下面两个约束：
例题:一块本征硅片,先掺入浓度为8×10-6cm3的五价砷原子,再 掺入浓度为5×1017cm3的三价硼原子,问它为何种杂质半导体,并 求室温时多子和少子的热平衡浓度值 解:由于Na大于Nd,结果是Nd释放的自由电子全部填入Na产生 的空穴外,还余下(Na-Nd)个空穴,因而杂质半导体由N型转 变为P型。 根据电中性条件:P=Na-Nd+N6≈Na-Nd=42×1017cm3相应 少子浓度N=(N/P0)=54×102cm3 杂质半导体的多子浓度与温度无关,而少子浓度与N成正比,因 而随温度升高而迅速增大,直到少子浓度增大到与多子浓度相当, 杂质半导体又恢复到类似的本征半导体,少子浓度的温度敏感特性 是导致半导体器件温度特性差的主要原因
（1）、在热平衡状态下，满足相应的热平衡条件：当温度一定时， 两种载 流子热平衡浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值Ni的平方。 即 N0P0=Ni2 （2）、满足电中性条件，整块半导体中的正电荷量恒等于负电荷 量。若施 主杂质浓度为Nd，则带正电的有已电离的杂质原子和少 子空穴，带 负电的 仅是多子自由电子，这样电中性条件为： N0= Nd+P0 由热平衡条件得： （ Nd+P0）P0= Ni2 由于Nd》 P0 故： Nd P0 Ni2 同理对受主杂质： （ Na+N0）N0= Ni2 由于Na》 N0 故： NaN0 Ni2 Na 为受主杂质浓度。 例题：一块本征硅片，先掺入浓度为8×1016cm-3的五价砷原子，再 掺入浓度为5×1017cm-3的三价硼原子，问它为何种杂质半导体，并 求室温时多子 和少子的热平衡浓度值。 解：由于Na大于Nd，结果是Nd释放的自由电子全部填入Na产生 的空穴外，还 余下（ Na - Nd ）个空穴，因而杂质半导体由N型转 变为P型。 根据电中性 条件：P0= Na - Nd +N0 Na - Nd=4.2 ×1017cm-3 相应 少子浓度 N0 =（Ni2 /P0）=5.4 ×102cm-3 杂质半导体的多子浓度与温度无关，而少子浓度与Ni2成正比，因 而随温度升 高而迅速增大，直到少子浓度增大到与多子浓度相当， 杂质半导体又恢复到 类似的本征半导体，少子浓度的温度敏感特性 是导致半导体器件温度特性差的主要原因
三、漂移和扩散 半导体中有自由电子和空穴两种载流子,它们除了在电场作用 下形成漂移电流外,还会在浓度差的作用下产生定向的扩散运动, 形成相应的扩散电流,而导体中不存在扩散电流,也没有空穴漂移 电流,只有自由电子在电场作用下形成的漂移电流 1、漂移电流:载流子在外加电场作用下,形成漂移电流,如 下图1-2所示: 若设Jpt和Jnt分别为空穴和自由电子的漂移电流密度(单位截 面积的电流),则它们分别为: Jpt=qpupE Jnt=-(-q)nmnE 总的漂移电流密度:J= Jpt+ Unt,式中p和n分别为空穴和自由电子 电场方向 图1-2
+ V — 图1-2 三、漂移和扩散 半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们除了在电场作用 下形成漂移电 流外，还会在浓度差的作用下产生定向的扩散运动， 形成相应的扩散电流， 而导体中不存在扩散电流，也没有空穴漂移 电流，只有自由电子在电场作用 下形成的漂移电流。 1、漂移电流：载流子在外加电场作用下，形成漂移电流，如 下图1-2所示： 若设Jpt和Jnt分别为空穴和自由电子的漂移电流密度（单位截 面积的电流）， 则它们分别为： Jpt=qpPE Jnt = -（-q）nnE 总的漂移电流密度：Jt= Jpt+ Jnt，式中p和n分别为空穴和自由电子 电场方向
2、扩散电流:当半导体中载流子浓度分布不均时,就要出现扩散现 象如光照、注入载流子,半导体中热平衡遭到破坏,载流子浓度差 引起扩散,产生扩散电流扩散电流大小与浓度梯度成正比: JPD=-qDpdP(x)dx JD=-(qD,dn(x)/dx 存在载流子浓度差是半导体区别于导体的又一种特有现象在 导体中,只有一种载流子,如果其间存在着浓度差,则必产生自低浓 度向高浓度方向的电场,依靠电场力就会迅速将高浓度的电子拉向 低浓度处,因此,在导体中建立不了自由电子浓度差而在半导体中 存在两种载流子,当出现非平衡载流子后,建立浓度差时,仍能满足 处处电中性条件不会产生不同浓度之间的电场后面将会看到,在 杂质半导体中,由于自由电子和空穴的扩散形成PN结形成内建电场 扩散电
的浓度， q为电子电荷量，E为外加电场强度， P和n分别为空穴 和自由电子的迁移率温度越高，掺杂浓度越大，迁移率就越小， 硅中载流子迁移率比锗小，迁移 率半导体器件的工作速度或工作 频率，采用迁移率大的材料（如砷化镓）可 制作高速或高频的半 导体器件。 若半导体长度为L，截面积为S，则： V=E·L It=Jt ·S R=（V/ It）=ρ·L/S 其中电阻率ρ=E/ Jt =[q ·(p ·μp+n · μn )]-1 电导率σ=1/ ρ 本征半导体中,电阻率与本征载流子浓度成反比,杂质半导体σ 比本征半导体高的多,教材第8页例题中是六个数量级,光照使电导 率增加. 2、扩散电流: 当半导体中载流子浓度分布不均时,就要出现扩散现 象,如光照、注 入载流子,半导体中热平衡遭到破坏,载流子浓度差 引起扩散,产生扩散电流,扩 散电流大小与浓度梯度成正比: JPD= -qDPdP (x)/dx JnD= -(-q)Dndn (x)/dx 存在载流子浓度差是半导体区别于导体的又一种特有现象,在 导体中,只有一种 载流子,如果其间存在着浓度差,则必产生自低浓 度向高浓度方向的电场,依靠 电场力就会迅速将高浓度的电子拉向 低浓度处,因此,在导体中,建立不了自由电子浓度差,而在半导体中, 存在两种载流子,当出现非平衡载流子后,建立浓度 差时,仍能满足 处处电中性条件,不会产生不同浓度之间的电场.后面将会看到, 在 杂质半导体中,由于自由电子和空穴的扩散形成PN结,形成内建电场, 扩散电
流与漂移电流同时存在,而其内建电场的形成是由不能移动的带电离子形成的 12半导体PN结 在P型N型)半导体中,用杂质补偿的方法将其中一部分转换为N型(P型), 形成PN结,制造工艺有平面扩散法(高温)等。 动态平衡下的PN结: 1、阻挡层的形成:N型半导体中,施主杂质典礼后,形成大量的自由电子和 施主正离子,由于正离子受电子覆盖而处处保持电中性,P型半导体同样 受主负离子受空穴覆盖而处处保持电中性,而在P型和N型界面两侧明显 存在自由电子和空穴的浓度差异,N区中的自由电子向P区扩散,与P区空 穴复合;P区中的空穴向N区扩散,与N区自由电子复合,这样在PN结界 面附近形成少量不受自由电子和空穴覆盖的正负离子,即形成空间电荷区 又叫阻挡层(势垒区,耗尽区),并产生由N区正离子指向P区负离子的 内建电场,如下图1-3所示: P区 空间电荷区一N区 9000000o06060010ooe 图1-3 ee0000000000000100000 900066006:66%oe eeeeeeeee06⊕曲 0000OOE
流与漂移电流同时存在,而其内建电场的形成是由不能移动的带电离子形成的. 1.2 半导体PN结 在P型(N型）半导体中，用杂质补偿的方法将其中一部分转换为N型（P型）， 形成PN结，制造工艺有平面扩散法（高温）等。 一、动态平衡下的PN结： 1、阻挡层的形成：N型半导体中，施主杂质典礼后，形成大量的自由电子和 施主正离子，由于正离子受电子覆盖而处处保持电中性，P型半导体同样 受主负离子受空穴覆盖而处处保持电中性，而在P型和N型界面两侧明显 存在自由电子和空穴的浓度差异，N区中的自由电子向P区扩散，与P区空 穴复合； P区中的空穴向N区扩散，与N区自由电子复合，这样在PN结界 面附近形成少量不受自由电子和空穴覆盖的正负离子，即形成空间电荷区， 又叫阻挡层（势垒区，耗尽区），并产生由N区正离子指向P区负离子的 内建电场，如下图1-3所示： P区 ︱ 空间电荷区 ︱ N区 图1-3