1.1半导体基础知识

第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1第一章常用半导体器件电子元器件的发展：

分立元件（电子管、晶体管）、集成电路（1）1907年，电子三极管问世灯丝工作电压6.3V，工作电流0.3A，单管功耗约2W第一台电子数字计算机：18,000只电子管，功耗为36KW特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢（2）1947年，晶体管发明克服了电子管的以上所有缺陷 （3）五十年代末，集成电路出现（管路结合）2第一章常用半导体器件3第一章常用半导体器件4第一章常用半导体器件5第一章常用半导体器件6第一章常用半导体器件7第一章常用半导体器件8第一章常用半导体器件9第一章常用半导体器件根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109

cm。半导体材料：元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）10第一章常用半导体器件半导体器件中用的最多的是硅和锗。半导体的特点：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。11第一章常用半导体器件§1.1.1

本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体材料制成晶体。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。12第一章常用半导体器件本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。13第一章常用半导体器件14第一章常用半导体器件硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子15第一章常用半导体器件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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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。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。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+416第一章常用半导体器件二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价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（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。17第一章常用半导体器件可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发 动画演示18第一章常用半导体器件2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。动画演示19第一章常用半导体器件

自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过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，因此，空穴的导电能力不如自由电子。20第一章常用半导体器件温度越高，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能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。21第一章常用半导体器件可以证明：热平衡载流子浓度（即单位体积内的载流子数）的值为ni、pi（表示自由电子浓度值和空穴浓度值）：22第一章常用半导体器件上式中的各参数的意义和值可见教材P3

从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能随温度升高而迅速增大，这一点在今后的学习中非常重要。

注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很小的百分数，比如：硅的原子密度为4.96×1022cm-3

ni1.5×1010cm-3，可见本征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率约为2.2×105Ωcm）。23第一章常用半导体器件§

1.1.2

杂质半导体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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。24第一章常用半导体器件一、N型半导体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，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，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。25第一章常用半导体器件+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、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）。26第一章常用半导体器件二、P型半导体在硅或锗晶体中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，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。27第一章常用半导体器件三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N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。28第一章常用半导体器件例：纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级，在室温下，载流子浓度为ni=pi=1010数量级，掺入百万分之一的杂质（1/10-6），即杂质浓度为1022*（1/106）=1016数量级，则掺杂后载流子浓度为1016+1010，约为1016数量级，比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。29第一章常用半导体器件一些典型的数据如下:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.5×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm330第一章常用半导体器件§1.1.3PN结一、PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。31第一章常用半导体器件P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。32第一章常用半导体器件漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。33第一章常用半导体器件－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV034第一章常用半导体器件1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。注意:PN结的形成 动画演示35第一章常用半导体器件36第一章常用半导体器件二、PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区加负、N区加正电压。37第一章常用半导体器件－－－－++++RE1、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。38第一章常用半导体器件2、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE39第一章常用半导体器件

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。PN结单向导电性

动画演示40第一章常用半导体器件

3PN结方程其中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）41第一章常用半导体器件

三、

PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿42第一章常用半导体器件四、PN结的电容效应

PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。

一是势垒电容Cb

，

二是扩散电容Cd

。

Cj=Cb+Cd43第一章常用半导体器件1势垒电容Cb

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。44第一章常用半导体器件

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧