半導體的基礎知識

1、模模 擬擬 電電 子子 技技 術術1.1 半導體的基礎知識半導體的基礎知識知識目標：知識目標： 1.了解半導體的分類；了解半導體的分類； 2.掌握掌握P、N型半導體的性質(zhì)；型半導體的性質(zhì)； 3.重點掌握重點掌握PN結的性質(zhì)。結的性質(zhì)。PN結的性質(zhì)結的性質(zhì)PN結的形成原理結的形成原理第第1 1講講教學目標教學目標教學重點教學重點教學難點教學難點能力目標：會檢測能力目標：會檢測PN結的性質(zhì)。結的性質(zhì)。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術半導體的基礎知識一、本征半導體一、本征半導體二、雜質(zhì)半導體二、雜質(zhì)半導體三、三、PN結結模模 擬擬 電電 子子 技技 術術半導體的基礎知識 根據(jù)物體導電能力根據(jù)物體導

2、電能力( (電阻率電阻率) )的不同，物體分為導的不同，物體分為導體、絕緣體和體、絕緣體和半導體半導體。 半導體半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的物體。是導電能力介于導體和絕緣體之間的物體。 半導體的電阻率為半導體的電阻率為1010-3-310109 9 cm。典型的半導體。典型的半導體有有硅硅Si和和鍺鍺Ge以及以及砷化鎵砷化鎵GaAs等。等。 半導體的特性半導體的特性: :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（用于制作半導體器件用于制作半導體器件）。）。模模 擬擬 電電 子子

3、 技技 術術 1、本征半導體的共價鍵結構2、電子空穴對 3、空穴的移動 本征半導體本征半導體化學成分純凈的半導體。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制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為，常稱為“九個九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。一、本征半導體模模 擬擬 電電 子子 技技 術術 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（單晶體）。 這種結構的

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鍵結構平面示意圖 (a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價鍵結構平面示意圖(c)模模 擬擬 電電 子子 技技 術術 2、電子空穴對、電子空穴對 當導體處于熱力學溫度當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價自由電子。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，成為束縛，而參與導電，成為自由電子自由電子。 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電

5、中性被破壞，呈就出現(xiàn)了一個空位，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電量相等，現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴空穴。 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 術術 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，稱為復合，如圖1.2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1.2 本征激發(fā)和復合的過程（動畫1-1）模模 擬擬 電電 子子 技技 術術 3、 空穴的移動 自由電子的定向運動形

6、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。見圖1.3的動畫演示。（動畫1-2）圖1.3 空穴在晶格中的移動模模 擬擬 電電 子子 技技 術術二、雜質(zhì)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在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為征半導體稱為雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術 1.N型半導體 在本

7、征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷、砷、銻等在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷、砷、銻等，可形成，可形成 N型半導體型半導體, ,也稱也稱電子型半導體電子型半導體。 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體因五價雜質(zhì)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型半導體中型半導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雜質(zhì)原子因失去一個電子帶正電提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因失去一個電子帶正電荷而成為荷而成為正離子正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。N型半導體的結構示意圖如圖型半導體的結構示意圖如圖1. 4所示。所示。 圖1.4 N型半導體結構示意圖模模 擬擬 電電 子子 技技 術術2.P型半導體 在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了了P型半導體型半導體，也稱為也稱為空穴型半導體空穴型半導體。 因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電因三價雜質(zhì)原子在

9、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。子而在共價鍵中留下一個空穴。 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，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)原子因得到一個電子成空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子因得到一個電子成為為負離子負離子。三價雜質(zhì)。三價雜質(zhì) 因而也稱為因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。P型半導體的型半導體的結構示意圖如圖結構示意圖如圖1. 5所示。所示。圖1.5 P型半導體的結構示意圖 圖1.5 P型半導體的結構示意圖模模 擬擬 電電 子子 技技 術術3.雜質(zhì)對半導

10、體導電性的影響 摻入雜摻入雜 質(zhì)對本征半導體的導電性有很大質(zhì)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以上三個濃度基本上依次相差以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。 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=51116/cm3模模 擬擬 電電 子子 技技 術術三、三、PN結結1.PN結的形成2.PN結的單向?qū)щ娦?.PN結的

11、電容效應4.PN結的擊穿特性模模 擬擬 電電 子子 技技 術術1.PN結的形成 在一塊本征半導體的兩側通過擴散不同的雜質(zhì)在一塊本征半導體的兩側通過擴散不同的雜質(zhì), ,分別形成分別形成N型半導體和型半導體和P型半導體。此時將在型半導體。此時將在N型半型半導體和導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程型半導體的結合面上形成如下物理過程: : 因濃度差因濃度差 多子的擴散運動多子的擴散運動 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散內(nèi)電場阻止多子擴散 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 術術 最后最后,多子的多子的擴散擴散和少子的和少子的漂移漂移達到達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。在。在P型半導體和型半導體和N型型半導體結合面，半導體結合面，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結結。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結的形成過程 （動畫1-3）PN 結形成結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 術術2.PN結的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使如果外加電壓使PN結中：結中： 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，簡稱，簡稱正偏正偏； PN結具有單向?qū)щ娦越Y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結呈低阻性，所以電流大；反之結呈低阻性，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，簡稱簡稱反偏反偏。 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術 (1) PN結加正向電壓時的導電情況結加正向電壓時的導電情況 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結區(qū)，結區(qū)，方向與方向與PN結內(nèi)電場方向結內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。相反，削弱了內(nèi)電

14、場。于是于是, ,內(nèi)電場對多子擴散內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，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結結呈現(xiàn)低阻性。呈現(xiàn)低阻性。 PN結加正向電壓時的導電情況如圖結加正向電壓時的導電情況如圖1.7所示。所示。 （動畫1-4）圖1.7 PN結加正向電壓時的導電情況模模 擬擬 電電 子子 技技 術術 (2) PN結加反向電壓時的導電情況結加反向電壓時的導電情況 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結區(qū)，方向與結區(qū)，方向與PN結內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子結

15、內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內(nèi)電場的結區(qū)的少子在內(nèi)電場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散電流，可忽略擴散于擴散電流，可忽略擴散電流，電流，PN結呈現(xiàn)高阻性。結呈現(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反向飽和電流和電流。 PN結加反

16、向電壓時的導電情況如圖結加反向電壓時的導電情況如圖1. 8所示。所示。圖圖 1.8 PN結加反向電壓時的結加反向電壓時的導電情況導電情況模模 擬擬 電電 子子 技技 術術 PN結加正向電壓結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電有較大的正向擴散電流；流；PN結加反向電壓結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具時，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。由此可以得出結由此可以得出結論：論：PN結具有單向?qū)ЫY具有單向?qū)щ娦?。電性?（動畫1-5）圖 1.8 PN結加反向電壓時的導電情況模模 擬擬 電電 子子 技技 術術#3.PN結的電容效應 PN結具有一定的電容效

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

18、模 擬擬 電電 子子 技技 術術 擴散電容是由多子擴散后，在擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面結的另一側面積累而形成的。因積累而形成的。因PN結正偏時，由結正偏時，由N區(qū)擴散到區(qū)擴散到P區(qū)區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠區(qū)內(nèi)緊靠PN結結的附近，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) 擴散電容擴散電容CD 反之，由反之，由P區(qū)擴散到區(qū)擴散到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。擴散電容的示意圖成類似的濃度梯度分布曲線。擴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 術術 圖 1.10 擴散電容示意圖 當外加正向電壓當外加正向電壓不同時，擴散電流即不同時，擴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結兩結兩側堆積的多子的濃度側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這梯度分布也不同，這就相當電容的充放電就相當電容的充放電過程。勢