半导体基础知识

1、第一章半导体器件第一章半导体器件1.11.1半导体基础知识半导体基础知识1.21.2半导体二极管半导体二极管1.31.3晶体三极管晶体三极管1.41.4场效应管场效应管 导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电铁、铝、铜等金属元素等低价元素，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。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。导电。1.1半导体基础知识半导体基础知识半导体

2、半导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗和锗(Ge)。物质根据其导电能力（电阻率）分：物质根据其导电能力（电阻率）分：最常用的半导体材料最常用的半导体材料锗锗硅硅半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。半导体的几个重要特性：半导体的几个重要特性：（1） 热敏特性热敏

3、特性（2）光敏特性）光敏特性（3）掺杂特性）掺杂特性+14284Si硅原子结构示意图硅原子结构示意图+3228 18Ge锗原子结构示意图锗原子结构示意图4原子结构示意图原子结构示意图+4硅、锗原子硅、锗原子的简化模型的简化模型1.1.1本征半导体本征半导体 +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。体称为本征半导体。 价价电电子子共共价价键键高纯半导体，纯度达高纯半导体，纯度达99.999999999（11个个9）+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴空穴可看成带正电的空穴

4、可看成带正电的载流子，载流子，半导体区别于导体半导体区别于导体的一个重要特点。的一个重要特点。本征半导体的结构本征半导体的结构共价键共价键由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 本征激发：在室温或光照下价电子获得足够的能量摆脱本征激发：在室温或光照下价电子获得足够的能量摆脱共价健的束缚成为自由电子，并在共价健中留下一个空位共价健的束缚成为自由电子，并在共价健中留下一个空位（空穴）的过程。（空穴）的过程。+4+4+4

5、+4+4+4+4+4+4本本征征半半导导体体受受热热或或光光照照本本征征激激发发产产生生电电子子和和空空穴穴自由电子自由电子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴电子空穴成对产生成对产生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴电子空穴复合，成复合，成对消失对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4 一定温度下，电子空穴对的产生与复合达到平衡，一定温度下，电子空穴对的产生与复合达到平衡，使自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，使自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大，挣脱

6、共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大，因此半导体器件的特性对温度较为敏感。因此半导体器件的特性对温度较为敏感。在常温在常温(T=300K)下下,3101043. 1 cmpniiGe:3131038. 2 cmpnii 本征激发本征激发电子和空穴成对的出现电子和空穴成对的出现 复合复合电子和空穴成对的消失电子和空穴成对的消失Si:在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U电电子子运运动动形形成成电电子子电电流流+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+

7、4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U价电子填价电子填补空穴而补空穴而使空穴移使空穴移动，形成动，形成空穴电流空穴电流在在外外电电场场作作用用下下(1) 在半导体中有两种在半导体中有两种载流子载流子这就是半导体和金属导电原理的这就是半导体和金属导电原理的 本质区别本质区别可见：可见：带正电的带正电的空穴空穴带负电的带负电的自由电子自由电子本征半导体电阻率大，导电性能随温度变化大，本征半导体电阻率大，导电性能随温度变化大，

8、本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用4、由于热敏性、光敏性、掺杂性等特性的存在，载流子浓、由于热敏性、光敏性、掺杂性等特性的存在，载流子浓度会随外界环境条件变化。度会随外界环境条件变化。5、电量平衡、呈电中性、电量平衡、呈电中性6、产生复合动态平衡、产生复合动态平衡浓度一定浓度一定1.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N (Negative)型半导体型半导体P (Positive)型半导体型半导体 在在本征半导体本征半导体硅或锗中硅或锗中掺入微量掺入微量的其它的其它适当适当元元素素后所形成的半导体后所形成的半导体一、一、 N 型半导体

9、型半导体掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4掺入少量五价杂质元素磷掺入少量五价杂质元素磷P P+4+4+4+4+4+4+4+4+4P P多出多出一个一个电子电子出现出现了一了一个正个正离子离子+4+4+4+4+4+4+4+4P P+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +半导体中产生了大量的自由电子和正离子半导体中产生了大量的自由电子和正离子N型半导体型半导体5 磷（磷（P）：施主原子）：施主原子 杂质半导体主要

10、靠多数载杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。现导电性可控。自由电子：自由电子：多多数载流数载流子子 空穴比未加杂质时的数目空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？多了？少了？为什么？空穴：空穴：少少数载流数载流子子掺杂浓度掺杂浓度 电子数电子数少子少子空穴电子空穴对空穴电子空穴对多子多子电子空穴对电子空穴对多余的(掺杂的）多余的(掺杂的）自由电子自由电子载流子载流子呈电中性呈电中性电子空穴对电量平衡电子空穴对电量平衡正离子电量正离子电量) )电子电量(电子电量(掺杂掺杂可见：可见： N型半

11、导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质元素形掺入少量五价杂质元素形成的。成的。 因因电子电子带负电，称这种半导体为带负电，称这种半导体为N(negative)型或型或电子电子型型半导体。半导体。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。B B+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、二、 P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4B B出出现现了了一一个个空空位位+4+4+4+4+4+4B B+4+4+4+4+4+4+4+4B B+4+4负离子负离子空穴空穴- - - - - - - - - - - - - - - - -

12、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -半导体中产生了大量的空穴和负离子半导体中产生了大量的空穴和负离子P型半导体型半导体3 硼（硼（B）：受主原子）：受主原子空穴：多数载流子空穴：多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？自由电子：少数载流子自由电

13、子：少数载流子掺杂浓度掺杂浓度 空穴数空穴数少子少子自由电子电子空穴对自由电子电子空穴对多子多子电子空穴对电子空穴对掺杂产生掺杂产生空穴空穴载流子载流子呈电中性呈电中性电子空穴对电量平衡电子空穴对电量平衡负离子电量负离子电量空穴电量（掺杂）空穴电量（掺杂）可见：可见： P型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价杂质元掺入少量的三价杂质元素形成的。素形成的。 因因空穴空穴带正电，称这种半导体为带正电，称这种半导体为P(positive)型或型或空穴空穴型型半导体。半导体。杂质半导体的转型：杂质半导体的转型： 当掺入三价元素的浓度大于五价元素的浓度时，当掺入三价元素的浓度大于

14、五价元素的浓度时，可将可将N型转为型转为P型；型； 当掺入五价元素的浓度大于三价元素的浓度时，当掺入五价元素的浓度大于三价元素的浓度时，可将可将P型转为型转为 N型；型；P 型、型、N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子P型型N型型半导体中正负电荷数相等，保持电中性。半导体中正负电荷数相等，保持电中性。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N+ + + + + + + + + +

15、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +以以N型半导体为基片型半导体为基片两种运动两种运动扩散运动：物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动扩散运动：物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动漂移运动：电场力的作用下载流子的运动漂移运动：电场力的作用下载流子的运动1.1.3PNPN结结使半导体的一边形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成型区，另一边形成P型区。型区。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - -

16、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -通过半导体扩散工艺通过半导体扩散工艺N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -a. 在浓度差的作用下，电子从在浓度差的作用下，电子从 N区向区向P区扩散。区扩散。 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液物质因浓度

17、差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。体、固体均有之。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -b. 在浓度差的作用下，空穴从在浓度差的作用下，空穴从 P区向区向N区扩散。区扩散。小结小结在在P区和区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。负离子。即即PN结结空间电荷层空间电荷层N+

18、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -耗尽层耗尽层形成内电场形成内电场内电场方内电场方向向N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

19、- - - - - - - - - - -势垒势垒U0形成电位势垒形成电位势垒N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -PN结结一方面阻碍多子的扩散一方面阻碍多子的扩散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - -

20、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -另一方面另一方面加速少子的漂移加速少子的漂移N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 少子因电场作用所产生的运动称为漂移运动。少子因电场作用所产生的运动称为漂移运动。当扩散与漂移作用平衡时当扩散与漂移作用平衡时a) 流过

21、流过PN结的净电流为零结的净电流为零b) PN结的厚度一定（约几个微米）结的厚度一定（约几个微米）c) 接触电位一定（约零点几伏）接触电位一定（约零点几伏）N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -少子的漂移运动少子的漂移运动空间电荷区的存在空间电荷区的存在N区N区P区，P区电子P区，P区电子穴穴产生少子漂移：N区空产生少子漂移：N区空阻止多

22、子扩散阻止多子扩散 无外电场力作用时，扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷无外电场力作用时，扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷区具有一定宽度，形成区具有一定宽度，形成PN结。有电位差结。有电位差Uho、无电流。、无电流。离子密离子密度大度大空间电荷空间电荷层较薄层较薄离子密离子密度小度小空间电荷空间电荷层较厚层较厚高掺杂浓度区域高掺杂浓度区域用用N+表示表示+_PN+P、N两区杂质浓度相等两区杂质浓度相等对称结对称结P、N两区杂质浓度不相等两区杂质浓度不相等不对称结不对称结PN结正向偏置结正向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结P型半导体的一型半导体的一端的电位高于端的电位高于N型半导体一

23、端的电位时，称型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置，结正向偏置，简称正偏。简称正偏。PN结反向偏置结反向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结N型半导体的一型半导体的一端的电位高于端的电位高于P型半导体一端的电位时，称型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，结反向偏置，简称反偏。简称反偏。- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + +

24、 + + +EPN结正向偏置结正向偏置1. 外加正向电压外加正向电压内电场被削弱内电场被削弱PN结变窄结变窄PN结呈现低阻、导通状态结呈现低阻、导通状态多子进行扩散多子进行扩散- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +E内电场增强内电场增强PN结变宽结变宽PN结呈现高结呈现高阻、截止状态阻、截止状态不利多子扩散不利多子扩散有利少子漂移有利少子漂移- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + +