第一章 半导体器件基础讲义

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1、第一章半导体器件基础讲义1.1半导体的基本知识一、半导体材料导体电阻率半导体绝缘体电阻率－<104Ωcm>1010Ωcm，·典型半导体材料：硅（Silicon,元素符号Si）锗（Germanium,元素符号Ge）化合物半导体如砷化镓（GaAs）等·半导体三特点：热敏性；②光敏性；③杂敏性。·半导体导电能力与晶体结构的关系――半导体的导电能力取决于它的原子结构。·硅原子结构简化模型：·硅原子的晶体结构：共价键。·半导体指纯净的、结构完整的晶体·共价键内载流子的运动方式――价电子是可以在共价键内运动的。二、本征半导体·T=0

2、K（约为－273℃）时，所有价电子均被束缚在共价键内，不能导电。·热激发T↑→价电子的热运动获得能量→摆脱共价键的吸引→成为自由电子，同时留下一个空位→相关原子成为正离子――中性原子的电离过程。·空穴可以移动的，带正电荷的载流子。空穴的运动形式――价电子在共价键内移动。·半导体内的两种载流子：自由电子和空穴――两者带电量相同而极性相反，且均可移动。·自由电子和空穴成对产生源于温度，称为热激发。·热敏性T↑，热激发加剧，自由电子和空穴的浓度↑，电阻率↓。·复合自由电子和空穴相遇，自由电子和空穴成对消失的过程。·从能量的角度看激发和复合

3、热激发是价电子获得能量摆脱共价键束缚的过程，复合则是自由电子释放出所获得的能量重新被共价键俘获的过程。·热平衡浓度T↑→自由电子和空穴浓度↑→复合↑→动态平衡。表现为在此温度下电子和空穴对的浓度宏观上不再变化。称为此温度下的热平衡浓度。温度提高后，热激发产生的自由电子－空穴对的数量出现新的增长，带动复合数量的增长，最终达到新的动态平衡，在新的温度下形成新的热平衡浓度。·室温下，硅中载流子的热平衡浓度只有约1010/cm3，导体中自由电子浓度约1022/cm3，且不随温度而变。·半导体中的导电机理在半导体中，自由电子带负电荷、空穴带正

4、电荷，均可移动，两种载流子。有：。三、杂质半导体掺杂的目的：改变半导体的导电能力和导电类型。根据掺入的是五价或三价元素，可以得到N型和P型两种类型的杂质半导体。1.N型半导体掺入五价元素磷（或砷、锑）。比例很小，不会破坏原来的晶体结构。当磷原子取代晶体中的硅原子时，第五个价电子在室温下即可摆脱磷原子核的吸引变成自由电子，磷原子因丢失一个价电子而带正电，电离成不能移动的正离子。磷原子称为施主元素，电离后出现的正离子称为施主离子。硅原子密度为1022/cm3，按万分之一掺杂，自由电子数也将达到1018/cm3。而室温下的热平衡浓度只有约

5、1010/cm3。多数载流子，简称多子。少数载流子，简称少子。电子型半导体或N型半导体。2.P型半导体掺入微量三价元素硼，在室温下，掺入的硼原子均电离成负离子，并提供一个空穴。同时半导体中原有热激发产生的微量自由电子－空穴对将使该半导体中有少量自由电子。因为掺入的三价元素会接受电子，故称三价元素为受主元素，电离后的负离子称为受主离子。在这种半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。导电时将以空穴电流为主，故将其称为空穴型半导体或P型半导体。·结论在杂质半导体中多数载流子主要是由掺入的杂质元素提供的，所以我们通过控制掺杂浓度，

6、即可改变半导体的导电能力。·电中性问题N型半导体中：自由电子数＝空穴数＋正离子数，P型半导体中：空穴数＝自由电子数＋负离子数。四、PN结及单向导电性1.载流子的运动方式·扩散运动――扩散运动是由于浓度差，载流子由浓度高向浓度低方向的运动。·漂移运动――漂移运动是载流子在电场作用下做的定向运动。因载流子扩散形成的电流叫扩散电流，漂移形成的电流称为漂移电流。2.PN结的形成浓度差→扩散→形成空间电荷区→内建电场→阻止扩散，利于漂移→动态平衡。内建电场的影响：①阻碍两边多子的扩散。N区的自由电子和P区的空穴在扩散穿越空间电荷区时，要克服电

7、场力做功，这就使得能扩散到对方的多数载流子的数量减少；②有利于两边少数载流子的漂移。内建电场对于两边区域的多数载流子的扩散运动是一个阻力场（或减速场），而对于两边区域的少数载流子却是一个加速场。少数载流子只要因热运动进入内建电场的势力范围，就会在电场力的作用下加速漂移到达对方。因为PN结空间电荷区中能够移动的带电粒子（自由电子和空穴）都扩散到对方区域复合掉了（载流子都消耗尽了），所以PN结也叫做耗尽区。3.PN结的单向导电性PN结的特点是具有单向导电性，在外加电压的作用下，PN结只允许通过单向电流。（1）PN结正偏导通PN结正偏时，

8、空间电荷区中的正负电荷量减少，PN结将变窄。削弱了空间电荷区的电场。这就减小了对多数载流子扩散的阻碍作用，因此两边多子扩散运动大于少子漂移运动，PN结内的电流便由起主导作用的扩散电流所决定。称为正向电流IF。正向压降约在0.6V～0.