模電半導體的基礎知識

模電課件半導體的基礎知識第1頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1本征半導體及其導電性

(1)本征半導體的共價鍵結構(2)電子空穴對

(3)空穴的移動

本征半導體——化學成分純凈的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。第2頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)本征半導體的共價鍵結構

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價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。這種結構的立體和平面示意圖見圖2.1。第3頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）電子空穴對

當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電量與電子的負電量相等。

這一現象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。第4頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月因熱激發(fā)而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖2.2所示。

本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。

圖2.2本征激發(fā)和復合的過程（動畫2-1）第5頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)空穴的移動

自由電子的定向運動形成電子電流。相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴可視為形成了空穴電流，它們的大小相等方向相反。見圖2.3的動畫演示。（動畫1-2）圖2.3空穴在晶格中的移動第6頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2

雜質半導體(1)N型半導體(2)P型半導體

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。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。第7頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1）N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數載流子,它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。N型半導體的結構示意圖如圖2.4所示。圖2.4N型半導體結構示意圖第8頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

P型半導體中:空穴是多數載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。P型半導體的結構示意圖如圖2.5所示。圖2.5P型半導體的結構示意圖

圖2.5P型半導體的結構示意圖第9頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3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響，一些典型的數據如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度: