一-1半导体基础知识

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1、第一章常用半导体器件1概述半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物体半导体材料：Si和Ge21.1半导体材料及其特性半导体材料：Ⅳ族元素硅（Si）、锗（Ge）III-V族元素的化合物砷化嫁（GaAs）等。半导体材料特点：☆导电性能会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。☆导电能力可控。3本征半导体本征半导体－纯净的具有晶体结构的半导体。天然的硅和锗经提纯（99.999%以上）即为本征半导体。晶格－在本征Si和Ge的单晶中，原子在空间形成排列整齐的空间点阵。4共价键结构由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从

2、而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。单晶Si和Ge的共价键结构示意图5本征激发在绝对温度T<0K(-273C)和没有外界激发时，所有的价电子均被束缚于共价键，而没有能力脱离共价键的束缚，晶体中没有自由电子，半导体是不能导电的。当温度升高或受到外界激发（如光照等），价电子就会获得足够的能量挣脱共价键的束缚，而成为自由电子，同时在共价键上留下相同的空位（空穴），这一现象称为本征激发。显然，温度越高本征激发越强，产生的自由电子和空位也越多。本征激发示意图6载流子复合载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使

3、自由电子空穴对消失的现象。7本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。常温下（27C），由于本征激发，本征半导体中已有两种载流子：自由电子和空穴导。两种载流子的浓度相等。8空穴导电：原子因失去一个价电子而带正电，这个带正电的“空位”叫做空穴。空穴很容易被从邻近共价键中跳出来的价电子填补上；于是，在邻近共价键中又出现新的空穴，以后其它价电子又可转移到这个新的空穴，这样就使共价键中出现一定的电荷迁移，当有电场作用时，价电子定向填补空位，使空位作相反方向的移动，这与带正电荷的粒子作定向运动的效果完全相同。为了区别于自由电子的运动，我们就把由

4、于价电子的运动导致空穴的虚拟运动称为空穴运动（方向相反），认为空穴是一种带正电荷的载流子。9由于本征激发，导致本征半导体中产生两种极性的载流子，即带负电荷的自由电子（简称电子）和带正电荷的空穴。空穴导电其实质就是价电子依次填补空位的运动，这是半导体导电的特殊性质。引入空穴概念后，本征激发可以描述为：半导体在热激发下，产生自由电子空穴对的现象。10本征浓度载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间内本征激发所产生的自由电子空穴对的数目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。11本征载流子的浓度（是温度的敏感函数）12本征浓度

5、常温下，Si和Ge的本征浓度分别为：????请查教材13杂质半导体杂质半导体本征半导体的导电能力是很弱的，但在本征半导体中通过扩散工艺掺入少量的其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素的原子称为杂质，掺入杂质的半导体称为杂质半导体。N型半导体P型半导体杂质半导体的载流子浓度14N型半导体在本征Si中掺入少量的Ⅴ族元素（如磷、砷、锑等）后，形成的杂质半导体称为N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅（Si）原子，它的四个价电子和周围四个Si原子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外。N型半导体原子结构示意图15N型半导体中的成份:施主离子：不能自由移动，不能参

6、与导电。多数载流子（多子）：自由电子。少数载流子（少子）：空穴。呈电中性，电中性条件16P型半导体在本征Si中掺入少量Ⅲ族元素（如绷、铝和铟等）后形成的杂质半导体称为P型半导体。这种杂质原子替代了晶格中的某些硅（Si）原子，它的三个价电子和相邻的四个Si原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个“空位”。P型半导体原子结构示意图17P型半导体中的成份:受主离子：不能自由移动，不能参与导电。多数载流子（多子）：空穴。少数载流子（少子）：自由电子。呈电中性18半导体中的电流漂移电流扩散电流19半导体中的电流漂移电流在电场作用下，半导体中的载流子受电

7、场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似与我们所熟悉的金属导体内的传导电流。其电子漂移产生的漂移电流密度为式中是电子的迁移率为常数，表征电子在半导体中运动容易度的参数，E是电场强度e是电子的电量n是电子的浓度20而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，其空穴漂移产生的漂移电流密度为式中，p是空穴的浓度是空穴的迁移率。和的方向是一致的，均为空穴流动的方向。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反所以，21因此，半导体中的总的漂移电