Chap半导体及其基本特性实用PPT课件

1、1、半导体及其基本特征2、半导体中的载流子3、pn结4、双极晶体管5、MOS场效应晶体管第1页/共32页导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。

2、1、半导体及其基本特征、半导体及其基本特征第2页/共32页固体材料：超导体固体材料：超导体: 大于大于106( cm)-1 导导 体体: 106104( cm)-1 半导体半导体: 10410-10( cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10( cm)-1什么是半导体？什么是半导体？第3页/共32页第4页/共32页 半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它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：具有不同于其它物质的特点：1 1、在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升而指数增加；2 2、半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，而且在重掺杂情况，温度对电导率的影

3、响较弱；3 3、在半导体中可以实现非均匀掺杂；4 4、光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体的电导率。第5页/共32页2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni第6页/共32页电子：电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子，对应于导带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的的电子空位，对

4、应于价带中的电子空位电子空位第7页/共32页3. 半导体的能带半导体的能带 (价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子能级 能带能带第8页/共32页价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构第9页/共32页在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某

5、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。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。4.半导体的掺杂半导体的掺杂N 型半导体： 掺入半导体的杂质原子向半导体中提供掺入半导体的杂质原子向半导体中提供 导电的电子，并成为带正电的离子。如导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中中掺掺的的P 和和As （施主原子, Donor ）P 型半导体： 掺入半导体的杂质原子向半导体中提供掺入半导体的杂质原子向半导体中提供 导电的空穴，导电的空穴，并成为带负电的离子。并成为带负电的离子。 如如Si中掺的中掺的B（ 受主原子，

6、 Acceptor ）施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA第10页/共32页N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不

7、能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。第11页/共32页+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。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。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第12页/共32页P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中

8、掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。第13页/共32页杂质半导体的示意表示法杂质

9、半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第14页/共32页本征载流子浓度：本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5. 本征载流子本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空 穴穴 浓浓 度度 p第15页/共32页本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构

10、特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。第16页/共32页本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原

11、子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：第17页/共32页硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子第18页/共32页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很

12、弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+4第19页/共32页本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子

13、获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴第20页/共32页+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第21页/共32页本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以

14、认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。第22页/共32页温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，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，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：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。自由电子移动产生

15、的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。第23页/共32页6. 非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n第24页/共32页多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子第25页/共32页7. 电中性条件电中性条件: 正负电荷之和为正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相

16、互补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Na第26页/共32页n型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na第27页/共32页8. 过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子2innp 公式公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合第28页/共32页9. 9. 载流子的输运载流子的输运漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率 电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力 载流子的漂移运动载流子的漂移运动：载流子在电场