201 半导体基础知识.doc

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1、2.01半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元索，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下，这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流，呈现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶，塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差，可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚，成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，

2、半导体的导电特性介于二者之间。•目前用来制造电子器件的材料主要分为两大类元素半导体：硅(Si)、错(Ge)、磷(P)、硼(B)等化合物半导体：碑化谏(GaAs)等它们的导电能力并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。•常用元素的原子结构图1一1硅和错原子的结磷原子的结构硼原子的结构构简化模型简化模型简化模型单晶晶体[多晶按内部原子排列方式的不同物质可分为・非晶体一、本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和错，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。把硅或错材料拉制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电子

3、（价电子）成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用，同吋还受到相邻原子核的吸引。于是，两个相邻的原子共有一对价电子，组成共价键结构。故晶体中，每个原子都和周围的4个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来，如图1一2所示。1-2硅原子空间排列及共价键结构平面示意图（a）硅晶体的空间排列（b）共价键结构平面示意图共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子，同吋必然在共价键中留下空位，称为空穴。空穴带正电，如图1・3所示。图1-3本征半导体中的

4、自由电子和空穴二、半导体的导电机构热激发：在绝对零度(-273K)吋，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有口由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其屮获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位。复合：在本征半导体中,由于本征激发，不断地产生电子、空穴对,使载流子浓度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷相吸引,因而，会使电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子,同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称

5、为复合。显然，载流子浓度越大，复合的机会就越多。这样在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态,使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为叫=Pi=A"咕GW式屮円分别表示电子和空穴的浓度（cnT?）；T为热力学温度（K）；Fog为T=0K时的禁带宽度（硅为l・21eV,错为0.78eV）；k为玻尔兹曼常数（&63X10~6V/K）；Aq是与半导体材料有关的常数（硅为3.87XIO】6cnf3・/r错为1.76X1016cm-3-K_3/2）o三、杂质半导体・在本征半导体中，有选择地掺入少量

6、其它元素一质。・掺入杂质的半导体称为杂质半导体。•根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。（一）、N型半导体・在本征硅（或猪）中掺入少量的五价元素，如磷、碎、镖等7型半导体。原来晶格中的某些硅（错）原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有5个价电子，因此它与周围4个硅（错）原子组成共价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电的杂质离子，它不能参与导电，如图1-4所示。显然，这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，即nn»pn（下标n表示是N型半导体），主耍

7、靠电子导电，所以称为N型半导体。由于5价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。N型半导体中，自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。图1一4杂质半导休中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的，因而其浓度主要取决于温度。此时电子浓度与空穴浓度之间，可以证明有如下关系：（Nd：施主杂质的浓度）nnPn=niPn=—-77-〜ND（一）、p型半导体在本征半导体中，掺入微量3价元素，如硼、稼、钢等，这吋杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键

8、因缺少一个价电子而出现一个空位，空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子如图1-