模电半导体的基础知识精选文档.ppt

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1、模电课件半导体的基础知识本讲稿第一页，共十页2.1.1 2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性(1)(1)本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构(2)(2)电子空穴对电子空穴对(3)空穴的移动空穴的移动 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。本讲稿第二页，共十页(1)(1)本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 硅硅和和锗锗是是四四价价元元素素，在在原原子子最

2、最外外层层轨轨道道上上的的四四个个电电子子称称为为价价电电子子。它它们们分分别别与与周周围围的的四四个个原原子子的的价价电电子子形形成成共共价价键键。共共价价键键中中的的价价电电子子为为这这些些原原子子所所共共有有，并并为为它它们们所所束束缚缚，在在空空间间形形成成排排列列有有序序的的晶晶体。体。这种结构的立体和平面示意图见图这种结构的立体和平面示意图见图2.1。本讲稿第三页，共十页（2 2）电子空穴对）电子空穴对 当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的

3、价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束缚，而参与导电，成为束缚，而参与导电，成为自由电子自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为中就出现了一个空位，称为空穴空穴。原子的电中。原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等。负电量相等。这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。本讲稿第四页，共十页 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回

4、到空穴游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为中去，称为复合，复合，如图如图2.2所示。所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。图图2.2 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程（动画动画2-1）本讲稿第五页，共十页(3)(3)空穴的移动空穴的移动 自自由由电电子子的的定定向向运运动动形形成成电电子子电电流流。相相邻邻共共价价键键中中的的价价电电子子依依次次充充填填空空穴穴可可视视为为形形成成了了空空穴穴电电流流，它它们们的的大大小小相相等等方方向向相相反反。见见图图2.32.3的的动动画画演示。演示。（动画动画1-2）图图2.3 空穴在晶

5、格中的移动空穴在晶格中的移动本讲稿第六页，共十页2.1.22.1.2 杂质半导体杂质半导体(1)(1)N型半导体型半导体(2)(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂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变化。掺入质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为征半导体称为杂质半导体杂质半导体。本讲稿第七页，共十页(1(1）N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成形成 N型半导体型半导体,也称也

6、称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半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成共价键，而多余的一个价电子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价键束缚而很容易形成自由电子。因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为

7、施主杂质施主杂质。N型半导型半导体的结构示意图如图体的结构示意图如图2.4所示。所示。图2.4 N型半导体结构示意图本讲稿第八页，共十页(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了等形成了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中型半导体中:空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子，电子是少数载

8、流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三。三价杂质价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。P型半导体的结构示意图型半导体的结构示意图如图如图2.5所示。所示。图2.5 P型半导体的结构示意图 图2.5 P型半导体的结构示意图本讲稿第九页，共十页2.1.3 2.1.3 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3本讲稿第十页，共十页