最新第六章半导体器件的基本特性讲解教学讲义PPT课件.ppt

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1、第六章半导体器件的基本特性讲解6.1半导体的基本知识6.1.1半导体材料6.1.2半导体的共价键结构6.1.3本征半导体、空穴及其导电作用6.1.4杂质半导体根据材料导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓(GaAs)等。导体：电阻率ρ<10-4Ω·cm绝缘体：电阻率ρ>109Ω·cm半导体：电阻率ρ介于前两者之间。6.1.1半导体材料6.1.2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本征半导体半导体的原子结构为金刚石结构：每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点。完全纯净、

2、结构完整的半导体晶体。称为本征半导体。纯度>6个9(99.9999%)半导体的晶体结构取决于原子结构。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。半导体的共价键结构(coovalentbond)共价键结构硅单晶材料+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。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，从而形成共价键。这样四个价电子与

3、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。上图是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。本征半导体的导电机理在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。本征半导体中的载流子：自由电子(freeelectron)空穴(mobi

4、lehole)+4+4+4+4空穴自由电子6.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对6.1.4杂质半导体在本征半导体中有选择地掺入少量其它元素，可使半导体的导电性发生显著变化,这些少量元素统称为杂质。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。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半

5、导体称为杂质半导体。一般采用高温扩散工艺进行掺杂.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。1.N型半导体(N-typeSemiconductors)在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子很容易被激发而成为自由电子，磷原子是不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主杂质(donorimpurity)。本征硅或锗+少量磷N型半导体SiPSiSi多余电子在N型半导体中自由电子

6、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，由于五价原子释放电子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。+4+5+4+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4施主杂质自由电子2.P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些原子被杂质取代。硼原子的最外层有三个价电子,与相临的硅或锗原子形成共价键时,产生一个空穴,这个空穴可能吸引束缚电子来填补。使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主杂质(acceptorimpurity)。

7、本征硅或锗+少量硼P型半导体SiBSiSi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，由热激发形成。受主杂质杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体载流子浓度=杂质浓度+热激发少子浓度3、杂质半导体的载流子浓度在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两