《半导体基础》课件.ppt

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1、第一章第一章 半导体器件半导体器件基本发展、种类：二极管、三极管、场效应管、集成电路（IC）Integrated Circuit、发展：电子器件的更新换代推动电子技术的发展，其中电子学发展史上三个重要里程碑：1)1906年电子管发明（进入电子时代）2)1948年晶体管问世（半导体器件）3)60年代集成电路出现(进入信息时代)2/25/20232/25/20231 1信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞1第一代电子器件电子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等发明，可实现整流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.

2、8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。2/25/20232/25/20232 2信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞2第二代电子器件晶体管（半导体三极管 1948年，肖克利（W.Shckly）等发明，在体积、重量等方面性能优于电子管。但是，由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。2/25/20232/25/20233 3信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞3第三代电子器件集成电路(IC)1958年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一起，三年后，集成电路实现了商品化。IC按集成度分:(1)小规模IC（SSI）102 (2)中规模IC（MS

3、I）103 (3)大规模IC（LSI）105 (4)超大规模IC(VLSI)1052/25/20232/25/20234 4信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞关键词：关键词：“管为路用管为路用”在这一章将着重阐述一些基本在这一章将着重阐述一些基本在这一章将着重阐述一些基本在这一章将着重阐述一些基本 概念。概念。概念。概念。对于半导体器件，必须本着对于半导体器件，必须本着对于半导体器件，必须本着对于半导体器件，必须本着“管为路用管为路用管为路用管为路用”的原的原的原的原则，重点阐述器件的外部特性，以便我们在研究则，重点阐述器件的外部特性，以便我们在研究则，重点阐述器件的外部特性，以便我们在研

4、究则，重点阐述器件的外部特性，以便我们在研究电路工作原理时能正确使用和合理选择这些器件。电路工作原理时能正确使用和合理选择这些器件。电路工作原理时能正确使用和合理选择这些器件。电路工作原理时能正确使用和合理选择这些器件。“管管管管”即：即：即：即：二极管二极管二极管二极管、晶体管晶体管晶体管晶体管等半导体器等半导体器等半导体器等半导体器件件件件 “路路路路”即：即：即：即：电路电路电路电路2/25/20232/25/20235 5信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞第一节第一节 半导体的基础知识半导体的基础知识 一、导体、绝缘体和半导体一、导体、绝缘体和半导体导导导导 体体体体：在日常生活中

5、和生产实践中很容易导电的一些金：在日常生活中和生产实践中很容易导电的一些金：在日常生活中和生产实践中很容易导电的一些金：在日常生活中和生产实践中很容易导电的一些金属材料。如：铜、铁、银等属材料。如：铜、铁、银等属材料。如：铜、铁、银等属材料。如：铜、铁、银等绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体：很不容易导电的，尽管加上很高的电压，仍然很：很不容易导电的，尽管加上很高的电压，仍然很：很不容易导电的，尽管加上很高的电压，仍然很：很不容易导电的，尽管加上很高的电压，仍然很难产生电流的材料，如：橡皮、塑料、玻璃、陶瓷等。难产生电流的材料，如：橡皮、塑料、玻璃、陶瓷等。难产生电流的材料，如：橡皮、塑料、玻璃、陶瓷等

6、。难产生电流的材料，如：橡皮、塑料、玻璃、陶瓷等。半导体半导体半导体半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的这一类材料，：导电性能介于导体和绝缘体之间的这一类材料，：导电性能介于导体和绝缘体之间的这一类材料，：导电性能介于导体和绝缘体之间的这一类材料，如：如：如：如：硅硅硅硅（SiSi）、）、）、）、锗锗锗锗（GeGe）、）、）、）、砷化镓砷化镓砷化镓砷化镓（GaAsGaAs）等。其中硅）等。其中硅）等。其中硅）等。其中硅材料用得最广，它是当前制作集成器件的主要材料，而砷材料用得最广，它是当前制作集成器件的主要材料，而砷材料用得最广，它是当前制作集成器件的主要材料，而砷材料用得最广，它是当前制作

7、集成器件的主要材料，而砷化镓则主要用制作高频高速器件的。化镓则主要用制作高频高速器件的。化镓则主要用制作高频高速器件的。化镓则主要用制作高频高速器件的。2/25/20232/25/20236 6信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞二、本征半导体：二、本征半导体：本征半导体：本征半导体：本征半导体：本征半导体：纯净的（无杂质或没有掺杂的）半纯净的（无杂质或没有掺杂的）半纯净的（无杂质或没有掺杂的）半纯净的（无杂质或没有掺杂的）半导体称为本征半导体，如硅（导体称为本征半导体，如硅（导体称为本征半导体，如硅（导体称为本征半导体，如硅（SiSi）、锗（）、锗（）、锗（）、锗（GeGe）等。）等。）等

8、。）等。硅单晶：硅单晶：硅单晶：硅单晶：纯净的（仅含硅原子的）半导体；纯净的（仅含硅原子的）半导体；纯净的（仅含硅原子的）半导体；纯净的（仅含硅原子的）半导体；锗单晶：锗单晶：锗单晶：锗单晶：纯净的（仅含锗原子的）半导体；纯净的（仅含锗原子的）半导体；纯净的（仅含锗原子的）半导体；纯净的（仅含锗原子的）半导体；共价键：共价键：共价键：共价键：共价键就是相邻两个原子中的价电子为共价键就是相邻两个原子中的价电子为共价键就是相邻两个原子中的价电子为共价键就是相邻两个原子中的价电子为共用电子对而形成的相互作用力。共用电子对而形成的相互作用力。共用电子对而形成的相互作用力。共用电子对而形成的相互作用力。

9、注注注注 意：意：意：意：锗、硅材料它们都是四价元素，在其原锗、硅材料它们都是四价元素，在其原锗、硅材料它们都是四价元素，在其原锗、硅材料它们都是四价元素，在其原子结构的外层轨道上有四个价电子，其导电性能子结构的外层轨道上有四个价电子，其导电性能子结构的外层轨道上有四个价电子，其导电性能子结构的外层轨道上有四个价电子，其导电性能与价电子有关。（详见下图：）与价电子有关。（详见下图：）与价电子有关。（详见下图：）与价电子有关。（详见下图：）2/25/20232/25/20237 7信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞本征半导体本征半导体本征半导体结构本征半导体结构GeSi通过一定的工艺过程，可

10、以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。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。8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。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子

11、是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。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+491 1、锗、硅原子结构：、锗、硅原子结构：、锗、硅原子结构：、锗、硅原子结构：注注注注 意：意：意：意：锗、硅材料它们都是四价元素，在其原锗、硅材料它们都是四价元素，在其原锗、硅材料它们都是四价元素，在其原锗、硅材料它们都是四价元素，在其原子结构的外层轨道上有四个价电子，其导电性能子结构的外层轨道上有四个价电子，其导电性能子结构的外层轨道上有四个价电子，其导电性能子结构的外层轨道上有四个价电子，其导电性能与价电子有关。（详见上图：）与价电子

12、有关。（详见上图：）与价电子有关。（详见上图：）与价电子有关。（详见上图：）2/25/20232/25/20231010信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞结论结论 一般来说：一般来说：本征半导体，在热力学温度本征半导体，在热力学温度T=0k（开尔（开尔文）和没有外界影响如：文）和没有外界影响如：光照、加热、外光照、加热、外加电场加电场等的条件下，其价电子均被束缚在等的条件下，其价电子均被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，所以共价键中，不存在自由运动的电子，所以不带电不带电。2/25/20232/25/20231111信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞 2、几个概念：、几个概念：（1

13、 1）本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：当本征半导体的温度升高或受到当本征半导体的温度升高或受到当本征半导体的温度升高或受到当本征半导体的温度升高或受到光照时，某些共价键中的价电子从外界获得能量光照时，某些共价键中的价电子从外界获得能量光照时，某些共价键中的价电子从外界获得能量光照时，某些共价键中的价电子从外界获得能量而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子的同时，在共价键中会留下数

14、量相同的空位子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子空穴。这种现象称为空穴。这种现象称为空穴。这种现象称为空穴。这种现象称为本征激发本征激发本征激发本征激发。本征激发形成本征激发形成本征激发形成本征激发形成:电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对（2 2）自由电子：自由电子：自由电子：自由电子：价电子获得外部能量后挣脱共价价电子获得外部能量后挣脱共价价电子获得外部能量后挣脱共价价电子获得外部能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子，带负电荷。键的束缚成为自由电子，带负电荷。键的束缚成为自由电子，带负电荷。键的束缚成为自由电子，带负电荷。（3 3）空空空空 穴：穴：穴：穴：价电子成为自由电子后在

15、共价键价电子成为自由电子后在共价键价电子成为自由电子后在共价键价电子成为自由电子后在共价键中留下的空位，带正电荷。中留下的空位，带正电荷。中留下的空位，带正电荷。中留下的空位，带正电荷。（4 4）电子电子电子电子-空穴对：空穴对：空穴对：空穴对：本征激发形成电子本征激发形成电子本征激发形成电子本征激发形成电子-空穴对。空穴对。空穴对。空穴对。2/25/20232/25/20231212信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞 本征激发和复合的过程2/25/20232/25/20231313信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞2/25/20232/25/20231414信息工程学院信息工程学院

16、宁仁霞宁仁霞结结 论：论：在半导体中存在两种载流子（运动电荷的载体）在半导体中存在两种载流子（运动电荷的载体）在半导体中存在两种载流子（运动电荷的载体）在半导体中存在两种载流子（运动电荷的载体）即：即：即：即：自由电子自由电子自由电子自由电子带负电带负电带负电带负电 ；空空空空 穴穴穴穴带正电带正电带正电带正电 。在电场作用下，电子的运动将形成电子电流，在电场作用下，电子的运动将形成电子电流，在电场作用下，电子的运动将形成电子电流，在电场作用下，电子的运动将形成电子电流，而空穴的运动则形成空穴电流，而空穴的运动则形成空穴电流，而空穴的运动则形成空穴电流，而空穴的运动则形成空穴电流，在同一电场作

17、用下，两种载流子的运动方向相反，在同一电场作用下，两种载流子的运动方向相反，在同一电场作用下，两种载流子的运动方向相反，在同一电场作用下，两种载流子的运动方向相反，是因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电是因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电是因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电是因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的。流的实际方向是相同的。流的实际方向是相同的。流的实际方向是相同的。电子电流与空穴电流的电子电流与空穴电流的电子电流与空穴电流的电子电流与空穴电流的总和总和总和总和即半导体中的电流。即半导体中的电流。即半导体中的电流。即半导体中的电流。是半导体区别

18、于金属导体的一大特性是半导体区别于金属导体的一大特性是半导体区别于金属导体的一大特性是半导体区别于金属导体的一大特性-两种载流子。两种载流子。两种载流子。两种载流子。2/25/20232/25/20231515信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞三、杂质半导体三、杂质半导体 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就形成杂质半导体。1、分类N型半导体型半导体 在本征半导体中，掺入五价杂质（磷、砷、锑等）使自由电子浓度大大增加，称为N型（电子型）半导体。P型半导体型半导体 在本征半导体中，掺入三价杂质如（硼、镓、锢等）使空穴浓度大大增加，称为P型（空穴型）半导体。2/25/

19、20232/25/20231616信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞请见下图的杂质半导体的结构请见下图的杂质半导体的结构2/25/20232/25/20231717信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞2/25/20232/25/20231818信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞 由上图的杂质半导体结构可知：由上图的杂质半导体结构可知：由上图的杂质半导体结构可知：由上图的杂质半导体结构可知：多数载流子多数载流子多数载流子多数载流子 简称简称简称简称多子多子多子多子 少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子 简称简称简称简称少子少子少子少子 在杂质半导体中，由于掺杂的原因，使得本征在杂质

20、半导体中，由于掺杂的原因，使得本征在杂质半导体中，由于掺杂的原因，使得本征在杂质半导体中，由于掺杂的原因，使得本征半导体中载流子的热平衡被打破，其中浓度大的半导体中载流子的热平衡被打破，其中浓度大的半导体中载流子的热平衡被打破，其中浓度大的半导体中载流子的热平衡被打破，其中浓度大的称为称为称为称为多数载流子多数载流子多数载流子多数载流子，浓度小的称为，浓度小的称为，浓度小的称为，浓度小的称为少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子。比如：在比如：在比如：在比如：在N N型半导体中，自由电子的浓度远大型半导体中，自由电子的浓度远大型半导体中，自由电子的浓度远大型半导体中，自由电子的浓度远大于空穴

21、浓度，故自由电子是多子，空穴是少数载于空穴浓度，故自由电子是多子，空穴是少数载于空穴浓度，故自由电子是多子，空穴是少数载于空穴浓度，故自由电子是多子，空穴是少数载流子；而在流子；而在流子；而在流子；而在P P型半导体中，空穴的浓度远大于自由型半导体中，空穴的浓度远大于自由型半导体中，空穴的浓度远大于自由型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，为多数载流子，自由电子则为少子。电子的浓度，为多数载流子，自由电子则为少子。电子的浓度，为多数载流子，自由电子则为少子。电子的浓度，为多数载流子，自由电子则为少子。2/25/20232/25/20231919信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞杂质半

22、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。20结论结论 不论不论不论不论P P型或型或型或型或N N型半导体，掺杂越多，掺杂浓度型半导体，掺杂越多，掺杂浓度型半导体，掺杂越多，掺杂浓度型半导体，掺杂越多，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，

23、少子越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子数目越少，其浓度也小。数目越少，其浓度也小。数目越少，其浓度也小。数目越少，其浓度也小。掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，表明其导电能力表明其导电能力表明其导电能力表明其导电能力显著增大显著增大显著增大显著增大。在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度

24、，在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相当（不绝对相等），杂质半导体又回复到类似的当（不绝对相等），杂质半导体又回复到类似的当（不绝对相等），杂质半导体又回复到类似的当（不绝对

25、相等），杂质半导体又回复到类似的本征半导体。本征半导体。本征半导体。本征半导体。2/25/20232/25/20232121信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞 注意：注意：在今后的分析中，我们会遇到这样的问在今后的分析中，我们会遇到这样的问题：少子浓度的温度敏感特性是导致半导题：少子浓度的温度敏感特性是导致半导体器件温度特性变差的主要原因。体器件温度特性变差的主要原因。而掺入不同的杂质，就能改变杂质半导而掺入不同的杂质，就能改变杂质半导体的导电类型，这也是制造体的导电类型，这也是制造PN结和半导体结和半导体器件的一种主要方法。器件的一种主要方法。2/25/20232/25/20232222

26、信息工程学院信息工程学院 宁仁霞宁仁霞小结小结 1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。和材料性质有关。23