1 半导体基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,模拟电子技术,电子技术基础精品课程,单击编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,上页,下页,第,1,章 半导体基础知识,武汉理工大学,信息工程学院,电子技术基础课程组,本征半导体、杂质半导体,有关半导体的基本概念,自由电子、空穴,N,型半导体、,P,型半导体,多数载流子、少数载流子,扩散、漂移,施主杂质、受主杂质,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1,半导体基本知识,主要内容,1.1,半导体材料,1.2,半导体的共价键结构,1.3,本征半导体,1.4,杂质半导体,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.1,半导体材料,导体：电阻率,10,9,cm,物质。如橡胶、塑料等。,半导体：导电性能介于导体和半导体之间的 物质。大多数半导体器件所用的主要材料是 硅,(,Si,),和锗,(,Ge,),。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,硅原子结构（,14,）,硅原子结构,(,a,),硅的原子结构图,最外层电子称,价电子,价电子,锗原子也是,4,价元素,4,价元素的原子常常用,+4,电荷的正离子和周围,4,个价电子表示。,+4,(,b,),简化模型,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,锗原子结构（,32,）,锗原子结构,(,a,),锗的原子结构图,最外层也是四个,价电子,所以锗原子 也是,4,价元素,锗原子的简化模型和硅相同,+4,(,b,),简化模型,2n,2,（,n,层）,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.2,半导体的共价键结构,半导体的导电性能是由其原子结构决定的。,+4,图,2,硅和锗的原子结构简化模型,图,1,硅和锗的共价键结构图,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.3,本征半导体,基本概念,本征半导体,：完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。,本征激发,：在温度作用下，束缚电子脱离共价键而形成自由电子，并在原来的位置上形成空穴的过程。,空穴,：当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位叫做空穴。,半导体中有,两种载流子,：带负电的自由电子和带正电的空穴。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.3,本征半导体,基本概念,本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为,电子,-,空穴对,。,本征半导体中,自由电子,和,空穴,的浓度用,n,i,和,p,i,表示，显然,n,i,=,p,i,。,由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。,在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了,。,载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。（,热敏性,）,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.3,本征半导体,4,空穴,自由电子,图,3,空穴电子对的产生,由于热激发而产生自由电子，自由电子移走后留下空穴。,4,4,4,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.3,本征半导体,4,图,4,电子与空穴的移动,4,4,4,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.4,杂质半导体,基本概念,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,杂质半导体。,杂质半导体有两种：,N,（电子）型半导体,和,P,（空穴）型半导体,。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.4,杂质半导体,N,型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的,5,价,元素（杂质），如磷、锑、砷等，即构成,N,型半导体,(,或称电子型半导体,),。,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因无共价键束缚而很容易形成,自由电子。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子,，它主要由杂质原子提供；,空穴是少数载流子,，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,正离子,，而五价杂质原子因提供了自由电子故也称为,施主杂质,。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.4,杂质半导体,N,型半导体,4,5,4,4,施主正离子,多余的电子,图,5 N,型半导体的共价键结构,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.4,杂质半导体,P,型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的,3,价,元素（杂质），如硼、镓、铟等，即构成,P,型半导体,。,因,3,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,。,在,P,型半导体中,空穴是多数载流子,，它主要由掺杂形成；,自由电子是少数载流子,，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为,负离子,。三价杂质 因而也称为,受主杂质,。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.4,杂质半导体,P,型半导体,4,4,4,3,受主原子,图,6 P,型半导体的共价键结构,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,1.4,杂质半导体,有关杂质半导体的几点说明,掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,杂质半导体,载流子的数目,要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,（掺杂性）,杂质半导体总体上保持电中性。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2 PN,结的形成及特性,PN,结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过载流子的扩散和漂移，在它们的交界面处就形成了,PN,结。,扩散运动,：载流子从浓度较高的区域向浓度低的区域的运动，形成的电流称为,扩散电流,。,漂移运动,：在电场力的作用下，载流子从浓度低的区域向浓度高的区域的定向运动，形成的电流称为,漂移电流,。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2 PN,结的形成及特性,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,图,7,载流子的扩散和漂移运动,空间电荷区,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2 PN,结的形成及特性,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2 PN,结的形成及特性,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，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。此时,PN,结达到动态稳定！,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2 PN,结的形成及特性,PN,结的单向导电性,正向导通反向截止,在,PN,结,加上正向电压,或,正向偏置,的意思都是：,P,区加正、,N,区加负电压。,当,PN,结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，,PN,结处于,导通状态。,PN,结,加上反向电压,或,反向偏置,的意思都是：,P,区加负、,N,区加正电压。,当,PN,结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，,PN,结处于,截止状态,。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2 PN,结的形成及特性,+,+,+,+,空间电荷区变薄,P,N,正向电流,内电场减弱，使扩散加强，,扩散,飘移，正向电流大,图,8 PN,结正向偏置,+,_,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2 PN,结的形成及特性,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区变厚,反向饱和电流,很小，,A,级,内电场加强，使扩散停止，,有少量,飘移，反向电流很小,图,9 PN,结反向偏置,P,N,+,_,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,PN,结的单向导电性,PN,结,加上,正向电压,或,正向偏置,的意思都是：,P,区加正、,N,区加负电压。,PN,结加正向电压,导通,PN,结,加上,反向电压,或,反向偏置,的意思都是：,P,区加负、,N,区加正电压。,PN,结加反向电压,截止,P,N,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,PN,结的单向导电性,PN,结的,V-I,特性,反向击穿电压,V,(BR),50,I,/,mA,V/V,0.2,0.4,25,5,10,15,0,硅材料,PN,结的伏安特性,锗材料,PN,结的伏安特性,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,