半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

1、模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)知識(shí)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)： 1.了解半導(dǎo)體的分類；了解半導(dǎo)體的分類； 2.掌握掌握P、N型半導(dǎo)體的性質(zhì)；型半導(dǎo)體的性質(zhì)； 3.重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握PN結(jié)的性質(zhì)。結(jié)的性質(zhì)。PN結(jié)的性質(zhì)結(jié)的性質(zhì)PN結(jié)的形成原理結(jié)的形成原理第第1 1講講教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)能力目標(biāo)：會(huì)檢測(cè)能力目標(biāo)：會(huì)檢測(cè)PN結(jié)的性質(zhì)。結(jié)的性質(zhì)。模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、三、PN結(jié)結(jié)模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 根據(jù)物體導(dǎo)電能力根據(jù)物體導(dǎo)

2、電能力( (電阻率電阻率) )的不同，物體分為導(dǎo)的不同，物體分為導(dǎo)體、絕緣體和體、絕緣體和半導(dǎo)體半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。 半導(dǎo)體的電阻率為半導(dǎo)體的電阻率為1010-3-310109 9 cm。典型的半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有有硅硅Si和和鍺鍺Ge以及以及砷化鎵砷化鎵GaAs等。等。 半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性: :光敏特性光敏特性（用于制作光敏電阻、二極管、三極管等用于制作光敏電阻、二極管、三極管等）熱敏特性熱敏特性（用于制作電阻用于制作電阻）摻雜特性摻雜特性（用于制作半導(dǎo)體器件用于制作半導(dǎo)體器件）。）。模模 擬擬 電電 子子

3、 技技 術(shù)術(shù) 1、本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)2、電子空穴對(duì) 3、空穴的移動(dòng) 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為，常稱為“九個(gè)九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。一、本征半導(dǎo)體模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 1、本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體（單晶體）。 這種結(jié)構(gòu)的

4、立體和平面示意圖見圖1.1。 圖1.1 硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 (a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 2、電子空穴對(duì)、電子空穴對(duì) 當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒有時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子自由電子。 自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電

5、中性被破壞，呈就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴空穴。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖1.2所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 圖1.2 本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動(dòng)畫1-1）模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 3、 空穴的移動(dòng) 自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形

6、成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。見圖1.3的動(dòng)畫演示。（動(dòng)畫1-2）圖1.3 空穴在晶格中的移動(dòng)模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 1.N型半導(dǎo)體 在本

7、征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷、砷、銻等在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷、砷、銻等，可形成，可形成 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體, ,也稱也稱電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體。 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易掙脫原子核的束縛成為自由電子。鍵束縛而很容易掙脫原子核的束縛成為自由電子。 N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中自由自由電子是多數(shù)載流子電子是多數(shù)載流子, 主要由主要由雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供； 空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子,

8、 由熱激發(fā)產(chǎn)生。由熱激發(fā)產(chǎn)生。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因失去一個(gè)電子帶正電提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因失去一個(gè)電子帶正電荷而成為荷而成為正離子正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1. 4所示。所示。 圖1.4 N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)2.P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了了P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，也稱為也稱為空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體。 因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電因三價(jià)雜質(zhì)原子在

9、與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。 P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子因得到一個(gè)電子成空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子因得到一個(gè)電子成為為負(fù)離子負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖結(jié)構(gòu)示意圖如圖1. 5所示。所示。圖1.5 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 圖1.5 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)

10、體導(dǎo)電性的影響 摻入雜摻入雜 質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下的影響，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 =1.41110/cm31 本征硅的原子濃度本征硅的原子濃度: : 4.961022/cm3 3以上三個(gè)濃度基本上依次相差以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51116/cm3模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)三、三、PN結(jié)結(jié)1.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的

11、電容效應(yīng)4.PN結(jié)的擊穿特性模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)1.PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì)在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì), ,分別形成分別形成N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半型半導(dǎo)體和導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程: : 因濃度差因濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 在交界處電子和空穴相符合形在交界處電子和空穴相符合形成由成由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形

12、成空間電荷區(qū)模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 最后最后,多子的多子的擴(kuò)散擴(kuò)散和少子的和少子的漂移漂移達(dá)到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡。在。在P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型型半導(dǎo)體結(jié)合面，半導(dǎo)體結(jié)合面，由離子薄層形成由離子薄層形成的的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)稱稱為為PN結(jié)結(jié)。在空間。在空間電荷區(qū)，由于缺電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也少多子，所以也稱為稱為耗盡層耗盡層。 圖1. 6 PN結(jié)的形成過程 （動(dòng)畫1-3）PN 結(jié)形成結(jié)形成的過程可參閱圖的過程可參閱圖1.6。模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使如果外加電壓使PN結(jié)中：結(jié)中： P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加

13、區(qū)的電位，稱為加正向電壓正向電壓，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱正偏正偏； PN結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從，若外加電壓使電流從P區(qū)流到區(qū)流到N區(qū)，區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。是高阻性，電流小。 P區(qū)的電位低于區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加區(qū)的電位，稱為加反向電壓反向電壓，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱反偏反偏。 模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) (1) PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 外加的正向電壓有外加的正向電壓有一部分降落在一部分降落在PN結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)，方向與方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。相反，削弱了內(nèi)電

14、場(chǎng)。于是于是, ,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，漂移電流的影響，PN結(jié)結(jié)呈現(xiàn)低阻性。呈現(xiàn)低阻性。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖1.7所示。所示。 （動(dòng)畫1-4）圖1.7 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) (2) PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 外加的反向電壓有一部分降落在外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子結(jié)

15、內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。結(jié)呈現(xiàn)高阻性。 在一定的溫度條件在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為這個(gè)電流也稱為反向飽反向飽和電流和電流。 PN結(jié)加反

16、向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖1. 8所示。所示。圖圖 1.8 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況導(dǎo)電情況模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) PN結(jié)加正向電壓結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電有較大的正向擴(kuò)散電流；流；PN結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電有很小的反向漂移電流。流。由此可以得出結(jié)由此可以得出結(jié)論：論：PN結(jié)具有單向?qū)ЫY(jié)具有單向?qū)щ娦浴ｋ娦浴?（動(dòng)畫1-5）圖 1.8 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)#3.PN結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)具有一定的電容效

17、應(yīng)，它由兩方面的結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。因素決定。 一是勢(shì)壘電容一是勢(shì)壘電容CB ， 二是擴(kuò)散電容二是擴(kuò)散電容CD 。模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) (1) 勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB 勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)?shù)暮穸纫蚕鄳?yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容的示意圖見圖的示意圖見圖1.9。圖 1.9 勢(shì)壘電容示意圖模

18、模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD 反之，由反之，由P區(qū)擴(kuò)散到區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖如圖1.10所示。所示。模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) 圖 1.10 擴(kuò)散電容示意圖 當(dāng)外加正向電壓當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也外電路電流的大小也就不同。所以就不同。所以PN結(jié)兩結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電就相當(dāng)電容的充放電過程。勢(shì)