第2講半導體基本知識(第一周)

1、2.1 2.1 半導體的基本知識半導體的基本知識 2.2 PN2.2 PN結的形成及特性結的形成及特性 第第2 2講講 半導體的基本知識（半導體的基本知識（2 2學時）學時） 2.1 2.1 半導體的基本知識半導體的基本知識 一、一、 半導體定義及材料半導體定義及材料 二、半導體的共價鍵結構半導體的共價鍵結構 三、本征半導體、空穴及其導電作用本征半導體、空穴及其導電作用 四、雜質半導體、空穴及其導電作用雜質半導體、空穴及其導電作用 什么是半導體？什么是半導體？ semiconductor conductor insulator 半導體半導體指指常溫常溫下下導電性能導電性能介于導體與絕緣體之介于

2、導體與絕緣體之 間的材料間的材料 外部條件外部條件 內(nèi)部結構內(nèi)部結構 一、一、 半導體定義及材料半導體定義及材料 典型的半導體有典型的半導體有硅硅SiSi和和鍺鍺GeGe以及以及砷化鎵砷化鎵GaAsGaAs等。等。 銀 銅 鋁 鐵 炭筆 酸溶液 鹽水 地表 濕木 鍺 硅 汽油 干紙 干布 玻璃 橡膠 陶瓷 導電能力導電能力 絕緣能力絕緣能力 二、半導體的共價鍵結構二、半導體的共價鍵結構 硅原子的結構簡化模型及硅原子的結構簡化模型及晶體結構晶體結構 特點：有序、穩(wěn)定、不易破壞特點：有序、穩(wěn)定、不易破壞 由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對

3、三、本征半導體三、本征半導體、空穴及其導電作用、空穴及其導電作用 本征半導體本征半導體化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單 晶體形態(tài)。晶體形態(tài)。 共價鍵中的空位共價鍵中的空位 掙脫束縛的價電子掙脫束縛的價電子 載流子載流子運載電荷的粒子運載電荷的粒子 問題問題1 1空穴和自由電子的絕對數(shù)目是否相等？空穴和自由電子的絕對數(shù)目是否相等？ 問題問題2 2外部條件（溫度、能量）的增加對空穴和自由電外部條件（溫度、能量）的增加對空穴和自由電 子數(shù)目有何影響？子數(shù)目有何影響？ 空穴和自由電子數(shù)目增加空穴和自由電子數(shù)目增加 空穴的移動空穴的移動空穴的運動空穴的運動

4、 是靠相鄰共價鍵中的價電子是靠相鄰共價鍵中的價電子 依次充填空穴來實現(xiàn)的。依次充填空穴來實現(xiàn)的。 （相對概念，空穴也會動）（相對概念，空穴也會動） 電子的移動電子的移動與外電場方與外電場方 向相反向相反。 E 載流子的運動載流子的運動 載流子的載流子的產(chǎn)生產(chǎn)生與與復合復合兩種運動均兩種運動均不會停止不會停止，達到，達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡 問題問題3 3在外電場作用下，空穴和自由電子會有什么運動在外電場作用下，空穴和自由電子會有什么運動 趨勢？趨勢？ 問題問題4 4如何提高本征半導體的導電率？如何提高本征半導體的導電率？ 1、提高溫度，增加能量（改善有限） 2、改變半導體結構，增加空穴或電子的數(shù)量

5、 四、雜質半導體四、雜質半導體、空穴及其導電作用、空穴及其導電作用 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質， 可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質 主要是主要是三價三價或或五價五價元素。摻入雜質的本征半導體元素。摻入雜質的本征半導體 稱為稱為雜質半導體雜質半導體。 N N型半導體型半導體摻入五價雜質元素（如磷）的摻入五價雜質元素（如磷）的 半導體。半導體。 P P型半導體型半導體摻入三價雜質元素（如硼）的摻入三價雜質元素（如硼）的 半導體。半導體。 1 1） N N型半導體型半導體 1 1、五價磷原子引、五

6、價磷原子引 入多余自由電子，入多余自由電子， 卻不引入空穴卻不引入空穴 五價磷原子失去電子成為五價磷原子失去電子成為正離子，正離子，五價雜質原子也稱為五價雜質原子也稱為施施 主雜質主雜質。 2 2、硅原子本征激發(fā)、硅原子本征激發(fā) 產(chǎn)生自由電子空穴產(chǎn)生自由電子空穴 對對 問題問題1 1空穴和電子的絕對數(shù)目是否相等？空穴和電子的絕對數(shù)目是否相等？ 問題問題2 2空穴和電子哪個是多數(shù)載流子，哪個是少數(shù)載流子？空穴和電子哪個是多數(shù)載流子，哪個是少數(shù)載流子？ 在在N N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質原型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質原 子提供；子提供；空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)

7、載流子, , 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 問題問題3 3N型半導體的導電的可控性與摻入的磷原子數(shù)目有何型半導體的導電的可控性與摻入的磷原子數(shù)目有何 關系？關系？ 磷原子數(shù)目越多，自由電子越多，導電性能增強。半磷原子數(shù)目越多，自由電子越多，導電性能增強。半 導體的導電可控性越強。導體的導電可控性越強。 2 2） P P型半導體型半導體 1 1、三價硼原子引、三價硼原子引 入空位入空位 三價硼原子接受電子成為三價硼原子接受電子成為負離子，負離子，因而也稱為因而也稱為受主雜質受主雜質。 2 2、硅原子本征激發(fā)、硅原子本征激發(fā) 產(chǎn)生自由電子空穴產(chǎn)生自由電子空穴 對對 3 3、自由電子補充了、自由電子

8、補充了 空位，留下空穴空位，留下空穴 問題問題4 4空穴和電子的絕對數(shù)目是否相等？空穴和電子的絕對數(shù)目是否相等？ 問題問題5 5空穴和電子哪個是多數(shù)載流子，哪個是少數(shù)載流子？空穴和電子哪個是多數(shù)載流子，哪個是少數(shù)載流子？ 問題問題6 6N型半導體的導電的可控性與摻入的硼原子數(shù)目有何型半導體的導電的可控性與摻入的硼原子數(shù)目有何 關系？關系？ 硼硼原子數(shù)目越多，空穴越多，導電性能增強。半導體原子數(shù)目越多，空穴越多，導電性能增強。半導體 的導電可控性越強。的導電可控性越強。 在在P P型半導體中型半導體中空穴是多數(shù)載流子，空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；它主要由摻雜形成； 自由自由電子是少數(shù)載流

9、子，電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 3） 雜質對半導體導電性的影響雜質對半導體導電性的影響 摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影 響，一些典型的數(shù)據(jù)如下響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: : T=300 K室溫下室溫下,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm3 1 2 摻雜后摻雜后 N 型半導體中的自由電子濃度型半導體中的自由電子濃度: n=51016/cm3 問題問題7 7影響半導體器件溫度穩(wěn)定性的是多數(shù)載流子還是少數(shù)影響半導體器件溫度穩(wěn)定性的是多數(shù)載流子還是少數(shù) 載流子？載流子？ 在在P P型半導體

10、中型半導體中自由自由電子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子。 在在N N型半導體中型半導體中空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子。 u ！多數(shù)載流子影響半導體的導電性；少數(shù)載流子影多數(shù)載流子影響半導體的導電性；少數(shù)載流子影 響半導體的溫度穩(wěn)定性。響半導體的溫度穩(wěn)定性。 溫度升高時，雜質半導體中產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目相溫度升高時，雜質半導體中產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目相 同，二者濃度的變化卻不相同！同，二者濃度的變化卻不相同！ 1 1、理解常用半導體材料、結構及其導電原理。、理解常用半導體材料、結構及其導電原理。 （本征半導體、自由電子、空穴）（本征半導體、自由電子、空穴） 本講小結本講小結 改善本征半導

11、體的導電性且使其可控改善本征半導體的導電性且使其可控 end 2 2、掌握為什么要對本征半導體添加雜質，改變、掌握為什么要對本征半導體添加雜質，改變 其結構。其結構。（雜質半導體、（雜質半導體、 N N型半導體、型半導體、P P型半導型半導 體、多數(shù)載流子、少數(shù)載流子）體、多數(shù)載流子、少數(shù)載流子） 2.2 2.2 PNPN結的形成及特性結的形成及特性 一、載流子的漂移與擴散一、載流子的漂移與擴散 二、 PN PN結的形成結的形成 三、 PNPN結的單向導電性結的單向導電性 四、 PNPN結的反向擊穿結的反向擊穿 五、PNPN結的電容效應結的電容效應 形成形成PN結，實現(xiàn)單向導電性結，實現(xiàn)單向導

12、電性 P型半導體和型半導體和N型半導體有什么作用？型半導體有什么作用？ 一、載流子的漂移與擴散一、載流子的漂移與擴散 2.2.漂移運動：漂移運動： 在電場作用引起的載流子的運動稱為在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動漂移運動。 1.1.擴散運動：擴散運動： 由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散擴散 運動運動。 二、二、PN結的形成結的形成 P P型空穴濃度型空穴濃度 電子濃度電子濃度 N N型電子濃度型電子濃度 空穴濃度空穴濃度 空穴空穴 自由電子自由電子 1 1）由載流子濃度差引起）由載流子濃度差引起擴散運動擴散運動 2 2）擴散運動形成擴散運動形

13、成空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，產(chǎn)生產(chǎn)生內(nèi)電場內(nèi)電場 3 3）內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移，阻止多子擴散促使少子漂移，阻止多子擴散 空穴空穴自由電子自由電子擴散運動擴散運動 空穴空穴 漂移運動漂移運動 自由電子自由電子自由電子自由電子 對于對于P P型半導體和型半導體和N N型半導體結合面，離型半導體結合面，離 子薄層形成的子薄層形成的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)稱為稱為PNPN結結。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也 稱稱耗盡層耗盡層。 4 4）多子的擴散和少子的漂移達到）多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡，形成動態(tài)平衡，形成PNPN結結 三、三、PN結的單向導電性結的單向

14、導電性 當外加電壓使當外加電壓使PNPN結中結中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，區(qū)的電位， 稱為加稱為加正向電壓正向電壓，簡稱，簡稱正偏正偏；反之稱為加；反之稱為加反向電壓反向電壓， 簡稱簡稱反偏反偏。 1) PN1) PN結加正向電壓時結加正向電壓時 擴散運動為主，較擴散運動為主，較 大的正向擴散電流大的正向擴散電流 低電阻低電阻 2) PN2) PN結加反向電壓時結加反向電壓時 漂移運動為主；很小的漂移運動為主；很小的 反向漂移電流，近似于反向漂移電流，近似于 截止截止 高電阻高電阻 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的

15、少子濃度是一定的，故 少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關， 這個電流也稱為這個電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 問題問題1 1PN結反向偏置時，為什么只有很小的反向漂移電流？結反向偏置時，為什么只有很小的反向漂移電流？ 問題問題2 2隨著反向偏置電壓的增大，反向漂移電流如何變化？隨著反向偏置電壓的增大，反向漂移電流如何變化？ 反向漂移電流是由少數(shù)載流子運動形成的，濃度很小反向漂移電流是由少數(shù)載流子運動形成的，濃度很小 PNPN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較 大的正向擴散

16、電流；大的正向擴散電流； PNPN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很 小的反向漂移電流。小的反向漂移電流。 由此可以得出結論：由此可以得出結論：PNPN結具有單向導電性。結具有單向導電性。 隨著溫度變化，少數(shù)載流子的相對濃度變化較隨著溫度變化，少數(shù)載流子的相對濃度變化較 大，所以反向漂移電流變化明顯，速度變快。大，所以反向漂移電流變化明顯，速度變快。 這也是半導體器件的溫度穩(wěn)定性差的原因。這也是半導體器件的溫度穩(wěn)定性差的原因。 3) PN3) PN結結V V- -I I 特性表達式特性表達式 其中其中 PNPN結的伏安特性結的伏安特性 )1e ( / SD D

17、 T V Ii v I IS S 反向飽和電流 反向飽和電流 V VT T 溫度的電壓當量溫度的電壓當量 且在常溫下（且在常溫下（T T=300K=300K） V026. 0 q kT VTmV 26 四、四、PN結的反向擊穿結的反向擊穿 當當PNPN結的反向電壓增加結的反向電壓增加 到一定數(shù)值時，反向電流突到一定數(shù)值時，反向電流突 然快速增加，此現(xiàn)象稱為然快速增加，此現(xiàn)象稱為PNPN 結的結的反向擊穿。反向擊穿。 熱擊穿熱擊穿不可逆不可逆 雪崩擊穿雪崩擊穿由于由于碰撞作用碰撞作用打破共價鍵打破共價鍵 齊納擊穿齊納擊穿由于由于強電場強電場作用打破共價鍵作用打破共價鍵 電擊穿電擊穿可逆可逆 五、五、PN結的電容效應結的電容效應 (1) (1) 擴散電容擴散電容C CD D 計算機為什么需要有主頻參數(shù)，是因為計算機為什么需要有主頻參數(shù)，是因為PNPN 結具有電容效應，兩方面：結具有電容效應，兩方面： (2) (2) 勢壘電容勢壘電容C CB B (1) (1) 擴散電容擴散電容C CD D 擴散電容示意圖擴散電容示意圖 電荷的濃度變化類電荷的濃度變化類 似于電容的充放電似于電容的充放電 效果，形成擴散電效果，形成擴散電 容容C CD D 空間電荷區(qū)的寬窄空間電荷區(qū)的寬窄 變化類似電容的充變