半导体的基本知识.ppt教案资料.ppt

半导体的基本知识半导体的基本知识.ppt.ppt2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 自然界的物体根据其导电能力自然界的物体根据其导电能力(电阻率电阻率)的不同，的不同，可划分为导体、绝缘体和半导体可划分为导体、绝缘体和半导体。导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如硅、锗、砷化镓和，如硅、锗、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识本征半导体本征半导体：完全纯净的：完全纯净的(纯度高达纯度高达99.9999999%99.9999999%以上以上)、结构完整的半导体晶体。、结构完整的半导体晶体。一、本征半导体一、本征半导体1.本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。的最外层电子（价电子）都是四个。共价键结构共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子硅和锗晶体模型硅和锗晶体模型1.本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+41.本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点2.2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力），它的导电能力为为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。常温下或当外界给半导体施加能量时，一些常温下或当外界给半导体施加能量时，一些共价键中的电子会脱离共价键的束缚成为共价键中的电子会脱离共价键的束缚成为自由电自由电子子，而在原来的位置上产生一个，而在原来的位置上产生一个空穴空穴(hole)(hole)。这。这种现象称为种现象称为本征激发本征激发。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子2.2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理2.2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在在其其它它力力的的作作用用下下，空空穴穴吸吸引引附附近近的的电电子子来来填填补补，这这样样的的结结果果相相当当于于空空穴穴的的迁迁移移，而而空空穴穴的的迁迁移移相相当当于于正正电电荷荷的的移移动动，因因此此可可以以认认为为空空穴穴是是载载流流子。子。电子带负电，空穴带正电，半导体有电子带负电，空穴带正电，半导体有自由自由电子和空穴两种载流子电子和空穴两种载流子。两种载流子两种载流子演示演示温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。2.2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理电子空穴对产生电子空穴对产生：由热激发而产生的自由电子：由热激发而产生的自由电子和空穴是成对出现的。和空穴是成对出现的。复合：复合：在运动中的自由电子如果在运动中的自由电子如果“跳进跳进”空穴，空穴，重新被共价键束缚起来，电子和空穴成对重新被共价键束缚起来，电子和空穴成对消失，这个过程称为消失，这个过程称为复合复合本征半导体电子浓度本征半导体电子浓度 ni 和空穴浓度和空穴浓度 pi 相等，且随相等，且随温度的增高而增大。温度的增高而增大。2.2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理二、杂质半导体二、杂质半导体杂质半导体：杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导杂质半导体。体。N型半导体型半导体：在本征半导体中掺入五价元素在本征半导体中掺入五价元素，如磷、砷等，就会构成如磷、砷等，就会构成 N 型半导体。型半导体。P型半导体型半导体：在硅或锗的晶体中掺入少量的三在硅或锗的晶体中掺入少量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，就会构成价杂质元素，如硼、镓、铟等，就会构成 P 型半导体。型半导体。1.N型半导体型半导体 提提供供自自由由电电子子的的五五价价杂杂质质原原子子因因带带正正电电荷荷而而成成为为正正离离子子，因因此此五五价价杂杂质质原原子子也也称称为为施主杂质施主杂质。在在 N 型半导体中，型半导体中，自由电子自由电子是是多数载流子多数载流子，它主要由，它主要由杂杂质原子质原子提供；提供；空穴空穴是是少数载少数载流子流子。因五价杂质原子中只有四个价电子因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。价键束缚而很容易形成自由电子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子2.P型半导体型半导体 在在 P 型半导体中，型半导体中，空空穴穴是是多数载流子多数载流子；自由电自由电子子是是少数载流子少数载流子。因三价杂质原子在与硅原因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空电子而在共价键中留下一个空穴。穴。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子3.杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近。近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。三、两种导电机理三、两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散漂移与漂移电流漂移与漂移电流 在在外加电场外加电场的作的作用下，载流子产生的用下，载流子产生的定向运动称为定向运动称为漂移运漂移运动动。由它产生的电流。由它产生的电流称为称为漂移电流漂移电流。VI电场E扩散与扩散电流扩散与扩散电流 载流子浓度分布的不均匀引起的定向运载流子浓度分布的不均匀引起的定向运动称为动称为扩散运动扩散运动。相应产生的电流称为。相应产生的电流称为扩扩散电流散电流。小结小结1.半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。2.掺入不同杂质，形成掺入不同杂质，形成N型和型和P型两种杂质半导体。型两种杂质半导体。N型半导体：多子是自由电子，少子是空穴；型半导体：多子是自由电子，少子是空穴；P型半导体：多子是空穴，少子是自由电子。型半导体：多子是空穴，少子是自由电子。3.半导体有两种导电方式：半导体有两种导电方式：电场作用下产生的漂移电流；电场作用下产生的漂移电流；非平衡载流子浓度差作用下产生的扩散电流。非平衡载流子浓度差作用下产生的扩散电流。小结小结 本征半导体本征半导体（导电率低导电率低）杂质半导体（杂质半导体（导电率高导电率高），），N型和型和P型型PN结（单向导电性）。结（单向导电性）。掺杂有机结合结束结束