半导体基础PPT讲稿.ppt

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1、半导体基础1第1页，共24页，编辑于2022年，星期五1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.1 本征半导体本征半导体 1）导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：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，金属一般都，金属一般都是导体。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之间，另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、，如锗、硅、砷化镓和一些

2、硫化物、氧化物等。氧化物等。第2页，共24页，编辑于2022年，星期五半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同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：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。第3页，共24页，编辑于2022年，星期五 2）本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可

3、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，它们的最外层现代电子学中，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。电子（价电子）都是四个。第4页，共24页，编辑于2022年，星期五本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成临的原子之间形成共价键共价键，

4、共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：第5页，共24页，编辑于2022年，星期五硅和锗的共价键结构硅和锗的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第6页，共24页，编辑于2022年，星期五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，称为束束缚电子缚电子，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由电子自由电子，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。能力很

5、弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。列，形成晶体。+4+4+4+4第7页，共24页，编辑于2022年，星期五二、本征半导体的导电机理二、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,价电子价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动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（即的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0，相，相当于绝缘体。当于绝缘体。在常温

6、下，由于热激发，使一些价电子获得足在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同，同时共价键上留下一个空位，称为时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴第8页，共24页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子第9页，共24页，编辑于2022年，星期五2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于补，这样的结果相当于

7、空穴的迁移，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴动，因此可以认为空穴是载流子。是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。第10页，共24页，编辑于2022年，星期五温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导温度越高，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能的体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。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

8、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。第11页，共24页，编辑于2022年，星期五1.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。（空穴半导

9、体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。（电子半导体）。第12页，共24页，编辑于2022年，星期五一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自这个电子几乎

10、不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。第13页，共24页，编辑于2022年，星期五+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的型半导体中的载流子是什么？载流子是什么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，

11、所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。第14页，共24页，编辑于2022年，星期五二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子

12、来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。第15页，共24页，编辑于2022年，星期五三、杂质半导体的示意表示法三、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。但由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于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认。

13、近似认为多子与杂质浓度相等。为多子与杂质浓度相等。第16页，共24页，编辑于2022年，星期五1.1.3 PN 结结 1 1）PNPN结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了就形成了PN 结。结。第17页，共24页，编辑于2022年，星期五P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电荷扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区区逐渐加宽，空间电荷区越宽。越宽。内电场越强，就使

14、漂移运内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电动越强，而漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。第18页，共24页，编辑于2022年，星期五漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第19页，共24页，编辑于2022年，星期五+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0第20页，共24页，编辑于202

15、2年，星期五1 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的中的电子（电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:第21页，共24页，编辑于2022年，星期五 2）PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是：P 区加正、区加正、N 区加负

16、电压。区加负电压。PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是：P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。第22页，共24页，编辑于2022年，星期五+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。第23页，共24页，编辑于2022年，星期五二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子的内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。能形成较小的反向电流。RE第24页，共24页，编辑于2022年，星期五