半导体基本知识(第一周)

1、2.1 半导体的基本知识2.2 PN结的形成(xngchng)及特性第2讲 半导体的基本知识（2学时(xush)）共三十五页2.1 半导体的基本知识 一、 半导体定义(dngy)及材料 二、半导体的共价键结构(jigu) 三、本征半导体、空穴及其导电作用 四、杂质半导体、空穴及其导电作用共三十五页什么(shn me)是半导体？semiconductorconductorinsulator半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料外部条件内部结构 一、 半导体定义(dngy)及材料共三十五页典型(dinxng)的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。银 铜 铝 铁 炭笔 酸溶液 盐水

2、 地表 湿木 锗 硅 汽油 干纸 干布 玻璃 橡胶 陶瓷 导电能力绝缘能力共三十五页二、半导体的共价键结构(jigu)硅原子(yunz)的结构简化模型及晶体结构特点：有序、稳定、不易破坏共三十五页由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对三、本征半导体、空穴及其导电(dodin)作用本征半导体化学成分纯净(chnjng)的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。共价键中的空位挣脱束缚的价电子载流子运载电荷的粒子共三十五页问题1空穴和自由电子的绝对数目(shm)是否相等？问题2外部条件(tiojin)（温度、能量）的增加对空穴和自由电子数目有何影响？空穴和自由电子数目增加共三十五页空穴(kn x

3、u)的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。（相对概念，空穴也会动）电子的移动与外电场(din chng)方向相反。E载流子的运动载流子的产生与复合两种运动均不会停止，达到动态平衡问题3在外电场作用下，空穴和自由电子会有什么运动趋势？共三十五页问题(wnt)4如何提高本征半导体的导电率？1、提高(t go)温度，增加能量（改善有限）2、改变半导体结构，增加空穴或电子的数量共三十五页 四、杂质(zzh)半导体、空穴及其导电作用 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著(xinzh)变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半

4、导体。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。共三十五页 1） N型半导体1、五价磷原子(yunz)引入多余自由电子，却不引入空穴 五价磷原子失去(shq)电子成为正离子，五价杂质原子也称为施主杂质。2、硅原子本征激发产生自由电子空穴对共三十五页问题1空穴(kn xu)和电子的绝对数目是否相等？问题2空穴和电子(dinz)哪个是多数载流子，哪个是少数载流子？ 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。问题3N型半导体的导电的可控性与掺入的磷原子数目有何关系？磷原子数目越多，自由电子越多，导电性

5、能增强。半导体的导电可控性越强。共三十五页 2） P型半导体1、三价硼原子(yunz)引入空位 三价硼原子接受电子成为(chngwi)负离子，因而也称为受主杂质。2、硅原子本征激发产生自由电子空穴对3、自由电子补充了空位，留下空穴共三十五页问题(wnt)4空穴和电子的绝对数目是否相等？问题5空穴和电子(dinz)哪个是多数载流子，哪个是少数载流子？问题6N型半导体的导电的可控性与掺入的硼原子数目有何关系？硼原子数目越多，空穴越多，导电性能增强。半导体的导电可控性越强。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。共三十五页 3） 杂质(zzh)对半导

6、体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据(shj)如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3共三十五页问题7影响半导体器件温度稳定性的是多数(dush)载流子还是少数载流子？ 在P型半导体中自由(zyu)电子是少数载流子。 在N型半导体中空穴是少数载流子。 ！多数载流子影响半导体的导电性；少数载流子影响半导体的温度稳定性。 温度升高时，杂质半导体中产生的自由电子和空穴数目相同，二者浓度的变化却不相同！共三十五页1、理解常用半导体材料、结构及其导电

7、(dodin)原理。 （本征半导体、自由电子、空穴） 本讲小结(xioji)改善本征半导体的导电性且使其可控end2、掌握为什么要对本征半导体添加杂质，改变其结构。（杂质半导体、 N型半导体、P型半导体、多数载流子、少数载流子）共三十五页2.2 PN结的形成(xngchng)及特性 一、载流子的漂移(pio y)与扩散 二、 PN结的形成 三、 PN结的单向导电性 四、 PN结的反向击穿 五、PN结的电容效应共三十五页形成PN结，实现(shxin)单向导电性 P型半导体和N型半导体有什么(shn me)作用？共三十五页一、载流子的漂移(pio y)与扩散2.漂移运动(yndng)： 在电场作用

8、引起的载流子的运动称为漂移运动。1.扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。共三十五页二、PN结的形成(xngchng)P型空穴浓度(nngd)电子浓度 N型电子浓度空穴浓度空穴自由电子1）由载流子浓度差引起扩散运动共三十五页2）扩散运动(yndng)形成空间电荷区，产生内电场共三十五页3）内电场促使(csh)少子漂移，阻止多子扩散空穴自由电子扩散运动空穴漂移运动自由电子自由电子共三十五页 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 4）多子的扩散(kusn)和少子的漂移达到动态平衡，形成PN结共三十五

9、页三、PN结的单向(dn xin)导电性 当外加电压使PN结中P区的电位(din wi)高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 1) PN结加正向电压时扩散运动为主，较大的正向扩散电流 低电阻共三十五页 2) PN结加反向(fn xin)电压时漂移运动(yndng)为主；很小的反向漂移电流，近似于截止高电阻共三十五页 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 问题1PN结反向偏置时，为什么只有(zhyu)很小的反向漂移电流？问题2随着反向(fn xin)偏置

10、电压的增大，反向(fn xin)漂移电流如何变化？ 反向漂移电流是由少数载流子运动形成的，浓度很小共三十五页 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。随着温度变化，少数载流子的相对浓度变化较大，所以(suy)反向漂移电流变化明显，速度变快。这也是半导体器件的温度稳定性差的原因。共三十五页 3) PN结V-I 特性(txng)表达式其中(qzhng)PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）共三十五页四、PN结的反向(fn xin)击穿 当PN

11、结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象(xinxing)称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿由于碰撞作用打破共价键 齐纳击穿由于强电场作用打破共价键 电击穿可逆共三十五页五、PN结的电容(dinrng)效应(1) 扩散电容CD计算机为什么需要有主频参数，是因为PN结具有(jyu)电容效应，两方面： (2) 势垒电容CB共三十五页(1) 扩散电容CD扩散电容示意图电荷的浓度变化类似(li s)于电容的充放电效果，形成扩散电容CD共三十五页空间电荷区的宽窄变化类似(li s)电容的充放电，形成势垒电容CBend (2) 势垒电容(dinrng)CB共三十五页2、理解(lji)为什么二极管器件温度稳定性差，受多数载流子还是少数载流子影响大？end4、了解(lioji)为什么半导体器件为什么有最高工作频率的限制？1、掌握PN结的单向导电性原理 本讲小结3、掌握PN结V-I 特性表达式与定性分析；共三十五页内容摘要2.1 半导体的基本知识。三、本征半导体、空穴及其导电作用。三、本征半导体、空穴及其导电作用。特点：有序、稳定、不易破坏。在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质(zzh)，可使半导体的导电性发生显著变化。1、五价磷原子引入多余自由电子，却不引入空穴。掺入杂质(zzh)对本征半导体