第一节半导体的基础知识

1、第一章第一章 半导体器件基础半导体器件基础第一节第一节 半导体的基础知识半导体的基础知识1 1、 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识 绕原子核高速绕原子核高速旋转的核外电子旋转的核外电子。 自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。 原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。旋转着的带有负电的电子组成。原子结构中：原子结构中：原子核原子核原子核中有质子和中原子核中有质子和中子，其中质子子，其中质子，中子不带电。中子不带电。（1 1） 导体导体 导

2、体的最外层电子数通常是13个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有金、银、铜、铝等。内部含有大量的自由电子内部含有大量的自由电子（2） 绝缘体绝缘体 绝缘体的最外层电子数一般为6-8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。 常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。 常用的绝缘体材料有橡胶、陶瓷、惰性气体等。 内部几乎没有自由电子，因此不导电。（3） 半导体半导体

3、 半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。 常用的半导体材料有硅、锗等。 导电性能介于导体和绝缘体之间。当光照增强时，导电能力增强 。当环境温度升高时，其导电能力增强。纯净的半导体中掺入某些微量杂质，导电能力明显改变。半导体材料的独特性能是由其所决定的。2 2 、半导体的导电特性半导体的导电特性3 3、 本征半导体本征半导体价电子共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除去价电表示除去价电子后的原子子后的原子本征半导体：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。

4、 在本征半导体的晶格结构中，每一个原子在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，形成子的价电子两两组成电子对，形成。共价键中的两个电子，称为。共价键中的两个电子，称为。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子 在热力学零度时在热力学零度时，半导体半导体不导电。当温度升高或受不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，成为挣脱原子核的束缚，成为自由电子自由电子本征激发本征激发。 自由电子产生自由电子产生

5、的同时，在其原的同时，在其原来的共价键中就来的共价键中就出现了一个空位，出现了一个空位，这个空位为这个空位为空穴空穴。因本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对因本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为出现的，称为电子空穴对电子空穴对。电子和空穴产生过程动画演示电子和空穴产生过程动画演示若在半导体两端外若在半导体两端外加电压，带负电的加电压，带负电的自由电子和带正电自由电子和带正电的空穴如何运动？的空穴如何运动？ 在外加电场作用下，自由电子定向运动产生电流在外加电场作用下，自由电子定向运动产生电流漂移电流漂移电流。 空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，在价电子原空穴吸引相邻原子中的价

6、电子来填补，在价电子原来的位置上出现了新的空穴来的位置上出现了新的空穴，不断地重复运动，相，不断地重复运动，相当于空穴运动当于空穴运动空穴电流空穴电流。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失会填补空穴，使两者同时消失复合。复合。本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载载流子流子，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。带负电的带负电的自由电子自由电子向向正极做定向运动正极做定向运动，被原，被原子核束缚着的价电子递补空穴使子核束缚着的价电子递补空穴使空穴向负极空穴向负极运动运动。两种载流子形成。两种载流子形成电荷极

7、性不同电荷极性不同，但，但电电流方向相同流方向相同的电子流。的电子流。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. 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流半导体导电机理动画演示半导体导电机理动画演示本征半导体中由于热激发存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中由于热激发存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴载流子。自由电子和空穴载流子。在半导体两端外加电压，带负电的自由电子向正极做定向在半

8、导体两端外加电压，带负电的自由电子向正极做定向运动，被原子核束缚着的价电子递补空穴使空穴向负极运运动，被原子核束缚着的价电子递补空穴使空穴向负极运动。两种载流子形成电荷极性不同，但电流方向相同的电动。两种载流子形成电荷极性不同，但电流方向相同的电子流。子流。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。温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体导电性能的一个重要的外部因素，强。温度是影响半导体导电性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点这是半导体的一大特点。4 4、半导体的导电

9、机理总结半导体的导电机理总结 在温度一定时，这两种相互矛盾的运动达到在温度一定时，这两种相互矛盾的运动达到相对平相对平衡衡，单位时间内电子，单位时间内电子- -空穴对产生和复合的数目相等，空穴对产生和复合的数目相等，实际存在着的电子实际存在着的电子- -空穴对维持在一定的数目上。空穴对维持在一定的数目上。 晶体内原子的热运动加剧，热激发增多，产晶体内原子的热运动加剧，热激发增多，产生超过复合，使原来的平衡被破坏，自由电子生超过复合，使原来的平衡被破坏，自由电子和空穴的数目增多，复合的机会也增大，最后和空穴的数目增多，复合的机会也增大，最后达到一个新的动态平衡。达到一个新的动态平衡。 说明：说明

10、：热激发产生的电子热激发产生的电子- -空穴对的空穴对的数目，是由温度决定的，在一般室温数目，是由温度决定的，在一般室温下，其数量甚少；当温度升高时，其下，其数量甚少；当温度升高时，其数量随之增加，即半导体导电能力随数量随之增加，即半导体导电能力随之增强。之增强。5 5. . 杂质半导体杂质半导体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。P P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体。空穴浓度大大增加

11、的杂质半导体。N N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体。自由电子浓度大大增加的杂质半导体。(1) N(1) N型半导体型半导体五价元素磷五价元素磷(P)(P)444444444P掺入磷杂质的掺入磷杂质的半导体晶格中半导体晶格中，自由电子的，自由电子的数量大大增加数量大大增加。在在N N型半导体中，自由电子数目大增，型半导体中，自由电子数目大增，自由电子数目远远大于空穴数量自由电子数目远远大于空穴数量，自自由电子由电子被称为被称为“多数载流子多数载流子”（简称（简称“多子多子”）；空穴空穴则称为则称为“少数载流少数载流子子”（简称（简称“少子少子”）。正离子正离子电子电子多出

12、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 N型半导体形成过程动画演示型半导体形成过程动画演示( (2 2) ) P P型半导体型半导体444444444三价元素硼三价元素硼(B)(B)B掺入硼杂质的半掺入硼杂质的半导体晶格中，空导体晶格中，空穴载流子的数量穴载流子的数量大大增加。大大增加。 掺入掺入三价三价元素的杂质半导体，空穴载流子的数元素的杂质半导体，空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量量大大于自由电子载流子的数量，叫做叫做P P型型半导体。半导体。 在在P P型半导体中，型半导体中，多数载流子是空穴多数载流子是空穴，少数载流少数载流子是自由电子子是自由电子，而不能移动的离子带，而不能移动的离子带负电负电。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负离子负离子空穴空穴P P型半导体的形成过程动画演示型半导体