1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

第一章常用半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1第一章常用半導(dǎo)體器件電子元器件的發(fā)展：

分立元件（電子管、晶體管）、集成電路（1）1907年，電子三極管問世燈絲工作電壓6.3V，工作電流0.3A，單管功耗約2W第一臺電子數(shù)字計算機：18,000只電子管，功耗為36KW特點：體積大、功耗高、壽命短、速度慢（2）1947年，晶體管發(fā)明克服了電子管的以上所有缺陷 （3）五十年代末，集成電路出現(xiàn)（管路結(jié)合）2第一章常用半導(dǎo)體器件3第一章常用半導(dǎo)體器件4第一章常用半導(dǎo)體器件5第一章常用半導(dǎo)體器件6第一章常用半導(dǎo)體器件7第一章常用半導(dǎo)體器件8第一章常用半導(dǎo)體器件9第一章常用半導(dǎo)體器件根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109

cm。半導(dǎo)體材料：元素半導(dǎo)體：硅（Si）、鍺（Ge）化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（GaAs）10第一章常用半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件中用的最多的是硅和鍺。半導(dǎo)體的特點：當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。11第一章常用半導(dǎo)體器件§1.1.1

本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體材料制成晶體。現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。12第一章常用半導(dǎo)體器件本征半導(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)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。13第一章常用半導(dǎo)體器件14第一章常用半導(dǎo)體器件硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子15第一章常用半導(dǎo)體器件共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+416第一章常用半導(dǎo)體器件二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。17第一章常用半導(dǎo)體器件可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)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(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。本征激發(fā) 動畫演示18第一章常用半導(dǎo)體器件2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。動畫演示19第一章常用半導(dǎo)體器件

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的，因此，空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子。20第一章常用半導(dǎo)體器件溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動產(chǎn)生的電流。21第一章常用半導(dǎo)體器件可以證明：熱平衡載流子濃度（即單位體積內(nèi)的載流子數(shù)）的值為ni、pi（表示自由電子濃度值和空穴濃度值）：22第一章常用半導(dǎo)體器件上式中的各參數(shù)的意義和值可見教材P3

從上式可知，本征載流子濃度ni與溫度有關(guān)，能隨溫度升高而迅速增大，這一點在今后的學(xué)習(xí)中非常重要。

注意：ni的數(shù)值雖然很大，但它僅占原子密度很小的百分?jǐn)?shù)，比如：硅的原子密度為4.96×1022cm-3

ni1.5×1010cm-3，可見本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很低的（本征硅的電阻率約為2.2×105Ωcm）。23第一章常用半導(dǎo)體器件§

1.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。24第一章常用半導(dǎo)體器件一、N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。25第一章常用半導(dǎo)體器件+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。26第一章常用半導(dǎo)體器件二、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。27第一章常用半導(dǎo)體器件三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。28第一章常用半導(dǎo)體器件例：純凈硅晶體中硅原子數(shù)為1022/cm3數(shù)量級，在室溫下，載流子濃度為ni=pi=1010數(shù)量級，摻入百萬分之一的雜質(zhì)（1/10-6），即雜質(zhì)濃度為1022*（1/106）=1016數(shù)量級，則摻雜后載流子濃度為1016+1010，約為1016數(shù)量級，比摻雜前載流子增加106，即一百萬倍。29第一章常用半導(dǎo)體器件一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.5×1010/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(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm330第一章常用半導(dǎo)體器件§1.1.3PN結(jié)一、PN

結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。31第一章常用半導(dǎo)體器件P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。32第一章常用半導(dǎo)體器件漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。33第一章常用半導(dǎo)體器件－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV034第一章常用半導(dǎo)體器件1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。注意:PN結(jié)的形成 動畫演示35第一章常用半導(dǎo)體器件36第一章常用半導(dǎo)體器件二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。37第一章常用半導(dǎo)體器件－－－－++++RE1、PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。38第一章常用半導(dǎo)體器件2、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE39第一章常用半導(dǎo)體器件

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)單向?qū)щ娦?/p>

動畫演示40第一章常用半導(dǎo)體器件

3PN結(jié)方程其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）41第一章常用半導(dǎo)體器件

三、

PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿42第一章常用半導(dǎo)體器件四、PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。

一是勢壘電容Cb

，

二是擴散電容Cd

。

Cj=Cb+Cd43第一章常用半導(dǎo)體器件1勢壘電容Cb

勢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PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖如下。44第一章常用半導(dǎo)體器件

擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊