第1章 常用半导体器件课件.ppt

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1、第1章常用半导体器件1.1半导体基础知识导体：电阻率小于10-4Ω·cm的物质，如铜、铝、银等金属材料；半导体：电阻率在10-3~109Ω·cm范围内的物质，常用的半导体材料是硅（Si)、锗(Ge)、砷化镓GaAs。绝缘体：电阻率大于1010Ω·cm的物质，如塑料、橡胶、陶瓷等材料；第1章常用半导体器件用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化。半导体受热、光照或掺入杂质后，导电性能会发生变化。掺杂特性：纯

2、净硅在室温时的电阻率为2.14×105Ω·cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999％，但它的电阻率却下降到0.2Ω·cm，几乎减少到原来的百万分之一。热敏特性：纯净的半导体硅，当温度从30℃升高到40℃时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30℃升高到100℃时，电阻率的增加还不到1倍。光敏特性：第1章常用半导体器件图1-1硅和锗的原子结构模型(a)硅；(b)锗；(c)原子简化模型1.1.1本征半导体纯净的单晶半导体称为本征半导体。1．本征半导体的晶体结构

3、第1章常用半导体器件半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构空穴——共价键中的空位。空穴可以看成带正电的粒子。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。第1章常用半导体器件本征激发：由于本征半导体受热（或光照）而产生电子-空穴对的现象。自由电子：挣脱了共价键束缚的价电子。2．本征半导体中的两种载流子空穴的移动空穴的移动：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。电子填充空穴的过程就相当于正电荷空穴的移动，因此空穴是能载运电荷的粒子——载流子，即空穴能参与导电。第1章常用半

4、导体器件本征半导体中空穴和自由电子移动都能输运电荷，即本征半导体中空穴和自由电子移动都能参与导电。故本征半导体中有两种载流子。空穴和自由电子定向移动都会形成电流。第1章常用半导体器件半导体的导电特性：3．热平衡载流子的浓度第1章常用半导体器件当温度一定时，在本征半导体中本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状态。热平衡状态下本征半导体的载流子浓度是一定的，且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。根据有关理论，可以证明载流子浓度为自由电子在运动中填补空穴,使两者都消失的现象

5、称为复合。式中K1是常量（硅为3.88×1016cm-3K-3/2，锗为1.76×1016cm-3K-3/2）；k为玻尔兹曼常数；EG0是T=0K时的禁带宽度（破坏共价键所需能量，硅为1.21eV，锗为0.785eV）。1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。第1章常用半导体器件1.N型半导

6、体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主原子。第1章常用半导体器件2.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激

7、发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主原子。第1章常用半导体器件在一块完整的本征半导体硅或锗片上，利用不同的掺杂工艺，使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在它们的交界处便形成PN结。PN结具有单向导电性第1章常用半导体器件1.1.3PN结半导体器件的核心是PN结。半导体二极管是单个PN结;半导体三极管具有两个PN结；场效应管的基本结构也是PN结。第1章常用半导体器件1．PN结的形成扩散运动：载流子从浓度高的区域向浓度低的区域的运动。即P型区的多子(空穴)向N

8、型区扩散，N型区的多子(自由电子)向P型区扩散。空间电荷区：在P和N的交界面两侧出现的不能移动的杂质正负离子区域。也就是PN结，又称为耗尽层。多子扩散运动使空间电荷区加宽。第1章常用半导体器件1．PN结的形成内电场：在空间电荷区里，由带正电的N型区指向带负电的P型区的电场。P区N区空间电荷区内电场UhoP区N区(a)空穴负离子正离子自由电子内电场阻止多子的扩散运动、内电场推动少数载流子产生漂移运动（载流子从浓度低的区域向浓度高的区域的运动。