清华大学模电课件第一章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 集成电路元器件基础,第一节 半导体基础知识,一、固体按导电性能可分为三类：,导体：,绝缘体：,半导体：,如：金、银、铜、铝等,如：云母、陶瓷等,如：硅,Si,、,锗,Ge,、,砷化镍,GaAs,等,一、半导体的特性：,杂质、温度、光照对,影响较大,定义：没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体,（一）本征半导体的共价键结构,1、,Si,、,Ge,原子结构模型,+14,Si,+32,Ge,+4,价电子,惯性核,三、本征半导体,2、,共价键,结构,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,3、本征激发,+4,导带,价带,Eg,禁带,导带,价带,Eg,禁带,导带,价带,Eg,禁带,自由电子,空穴,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴也是一种载流子,自由电子,空穴,两种载流子,在外电场作用下电子空穴运动方向相反,T=300K（,室温)时,Eg,(,Si,)=1.12eV,Eg,(,Ge,)=0.72eV,Eg,一般与半导体材料和温度,T,有关,T=0K（-273.16,o,C),时,Eg,0,(,Si,)=1.21eV,Eg,0,(,Ge,)=0.785eV,导带,价带,Eg,禁带,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1 .,T=0K,且无外界能量激发时,Eg,0,较大，价电子全部束缚在共价键中，导带无自由电子。此时的本征半导体相当于绝缘体,当,T,(,or,光照),价电子获得能量,导带,价带,Eg,禁带,跃迁导带,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,位于导带-,位于价带-,自由电子和空穴成对出现,2、,本征激发,3、,本征载流子,(1),本征激发,自由电子,空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,本征激发产生自由电子和空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,复合,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,复合,3、,本征载流子,(1),本征激发,自由电子,空穴,(2),空穴,自由电子,随机碰撞,复合,空穴消失,自由电子,(3),本征激发,复合,本征半导体中的,自由电子浓度,n,i,空穴浓度,p,i,总是,相等,的,温度,n,i,p,i,导电能力,可制作热敏元件,影响半导体器件的稳定性,光照,n,i,p,i,导电能力,可制作光电元件,定义：人为掺入一定杂质成份的半导体称杂质半导体,四、杂质半导体,N,型半导体（掺入5价元素杂质）,P,型半导体（掺入3价元素杂质）,分类,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+5,+4,在本征半导体中掺入5价的杂质（砷、磷、锑）就成为,N,型半导体,杂质原子提供多余电子称为施主杂质-,正离子,多余电子位于施主能级在室温下进入导带成为自由电子,导带,价带,Eg,禁带,施主能级,导带,价带,Eg,禁带,（,一）,N,型半导体,N,型半导体的,特点,1、,施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格中不能移动，不能起导电作用,+4,+4,+4,+4,+4,+5,2、,在室温下，多余的电子全部被激发为自由电子，故,N,型半导体中自由电子数目很高，,n,i,大，主要靠电子导电，故称为电子半导体。,3、,在,N,型半导体中，同样存在本征激发，产生电子空穴对，但数目很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。,在,N,型半导体中，,自由电子,是多数载流子（,多子,）,空穴,对是少数载流子（,少子,） 。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+3,+4,在本征半导体中掺入3价的杂质（,B,硼）就成为,P,型半导体,杂质原子接受电子称为受主杂质-,负离子,受主原子位于受主能级在室温下产生空位（位于价带）,受主能级,（,二）,P,型半导体,导带,价带,Eg,禁带,导带,价带,Eg,禁带,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+3,+4,1、,受主原子接受电子在价带中产生一个空穴，但并不在导带中产生电子，而在晶格中留下一个负离子。负离子不能自由移动，不起导电作用。,P,型半导体的,特点,在,P,型半导体中，,空穴,是多数载流子（,多子,）,自由电子,对是少数载流子（,少子,） 。,+4,+4,+4,+4,+4,+3,2、,在室温下，3价受主原子产生的空穴全部可被被激发为价带中的空穴，故,P,型半导体中空穴数目很高，,P,i,大，主要靠空穴，故称为空穴半导体。,3、,在,P,型半导体中，同样存在本征激发，产生电子空穴对，但数目很小，空穴浓度远大于自由电子浓度。,（,三）杂质半导体中的载流子浓度,本征半导体中载流子由本征激发产生：,n,i,=p,i,杂质半导体掺杂越多,多子浓度越多,少子浓度越少,杂质半导体中载流子的产生,杂质电离产生多子,本征激发产生多子和少子,两种载流子的浓度的关系,1、热平衡条件,温度一定时，两种载流子浓度之和，等于本征浓度的平方。,N,型半导体：,P,型半导体：,2、,电中性条件：,整块半导体的正电荷与负电荷恒等,P,型半导体：,N,A,表示受主杂质浓度：,No,表示施主杂质浓度：,N,型半导体：,一般总有,N,o,p,n,N,A,n,p,N,型：,n,n,N,o,所以,P,型：,p,p,N,a,多子浓度等于掺杂浓度与温度无关,p,n,n,i,2,/N,o,p,p,n,i,2,/N,a,少子浓度与本征浓度有关，随温度升高而增加，是半导体元件温度漂移的主要原因,五、载流子在半导体内的运动,电子和空穴的定向运动引起电流,由于电场引起的定向运动-漂移运动（漂移电流）,由于载流子的浓度梯度引起的定向运动-扩散运动（扩散电流）,（一）漂移电流,E,V,空穴的电流密度：,Jpt,电子的电流密度：,Jnt,总的漂移的电流密度：,Jt,=,Jpt,+,Jnt,（二）扩散电流,载流子注入或光照作用,非平衡载流子,由于载流子的浓度梯度引起的定向运动-扩散运动（扩散电流）,载流子的浓度梯度,扩散运动,扩散电流,x,x,光照,n,(x),p,(x),载流子浓度,热平衡值,热平衡值,x,N,型半导体载流子的扩散,用,表示非平衡空穴和电子的浓度梯度，,则沿,x,方向的扩散电流密度分别为,注意：扩散电流与电场强度无关,与载流子浓度也无关，,主要决定于载流子的浓度梯度（或浓度差）,