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发表时间:2008-6-21.1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<104Qcm>10l（）Qcm»•典型半导体材料：硅（Silicon，元素符号Si）错（Germanium,元素符号Ge）化合物半导体如神化稼（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一一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一一价电子是可以在

2、共价键内运动的。二、本征半导体・T=0K（约为一273°C）时，所有价电子均被束缚在共价键内，不能导电。•热激发Tt-价电子的热运动获得能量一摆脱共价键的吸引一成为自由电子，同时留下一个空位一相关原子成为正离子一一中性原子的电离过程。・空穴可以移动的，带正电荷的载流子。空穴的运动形式一一价电子在共价键内移动。•半导体内的两种载流子：自由电子和空穴一一两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Tt,热激发加剧，自由电子和空穴的浓度t,电阻率Io・复合自由电子和空

3、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Tf-自由电子和空穴浓度f-复合f-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，热激发产生的口市电子一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10,0/cm3,导体中自由电子浓度约10

4、2W,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、空穴带正电荷，均可移动，两种载流子。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（或碑、锁）。比例很小，不会破坏原來的晶体结构。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口由电子，磷原子因丢失一个价电子而带止电，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

5、为1022/cm3,按万分之一掺杂，白由电子数也将达到10'Wo而室温下的热平衡浓度只有约10,（,/cm3o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。同吋半导体中原有热激发产生的微量自由电子一空穴刈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。在这种半导体川，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

6、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捉供的，所以我们通过控制掺杂浓度，即可改变半导体的导电能力。•电屮性问题N型半导体中：自由电子数=空穴数+正离子数，P型半导体屮：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•扩散运动一一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。•漂移运动一一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结的形成浓度差一扩散一形成空间电荷

7、区一内建电场一阻止扩散，利于漂移一动态平衡。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了却是一个加速场。少数载流了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（口rti电子和空穴）都扩散到对方区域复合掉了（载流子都

8、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，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人于少子漂移运动，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〜O.