《半导体的基本知识》PPT课件

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1、第二讲第二讲 半导体基础知识半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结结根据导电能力把物质分类：根据导电能力把物质分类：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。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。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体。1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用

2、下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识半导体半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。其机的导电能力介于导体和绝缘体之间

3、。其机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：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。1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识#！惯性核的正电荷量与电子的负电荷量相等，原子呈！惯性核的正电荷量与电子的负电荷量相等，原子呈中性中性。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

4、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。1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体Si+142 8 4Ge+322 8 18 4+4原子结构简化图：原子结构简化图：惯性核：原子核和内层电惯性核：原子核和内层电子子外层价电子：最外层电子外层价电子：最外层电子1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体在硅和锗晶体中，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，而四个其点

5、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，每个原子与其相临的原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子之间形成共价键共价键，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：1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体1、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消

6、失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体本征激发本征激发：半导体中共价键分裂产生电子、空穴对：半导体中共价键分裂产生电子、空穴对的过程。的过程。原因：加热、光或其它射线照射。原因：加热、光或其它射线照射。载流子的复合载流子的复合：自由电子在运动过程中能量减少，：自由电子在运动过程中能量减少，有可能填补空穴恢复共价键，该过程称有可能填补空穴恢复

7、共价键，该过程称为为。激发激发 复合复合动态平衡动态平衡一定外界环境条件下一定外界环境条件下1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体载流子载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。子浓度增大，导电性增强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。2、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为

8、载流子。1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体本征半导体中存在数量相等的两种载流子本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。载流子的浓度随温度升高按指数关系增加，载流子的浓度随温度升高按指数关系增加，导电能力增强。温度是影响半导体性能的一导电能力增强。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。个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。3.本征半导体的性质：本征半导体的性质：1.T=0K1.T=0K时时,载流子的浓度为载流子的浓度为0 0。2.2.本征半导体的导电能力取决于载流子的本征半导体的导电能力取决于载流子的 浓度。浓度。3.3.导

9、电能力差导电能力差,并对温度很敏感并对温度很敏感.1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？在本征半导体中通过扩散工艺，掺入某些微量在本征半导体中通过扩散工艺，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。的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电能力大为提高掺杂后半导体的导电能力大

10、为提高掺入三价元素如掺入三价元素如B、Al等，等，形成形成P型半导体型半导体，也称空穴型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素如掺入五价元素如P、As(砷砷)等，等，形成形成N型半导体型半导体，也称电子型半导体，也称电子型半导体1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识5磷（磷（P）杂质半导体主要靠多数载杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。实现导电性可控。多数载流子多数载流子 N 型半导体中的载流子是什型半导体中的载流子是什么？么？1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.N 型半导体型

11、半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素，晶体点在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外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，其中四个与相邻的半导体原子形层有五个价电子，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，这个电子几乎不受成共价键，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由电子，这样杂质原束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样杂质原子就成了子就成了不能移动的带正电的离子不能移动的带正电的离子。每个杂质原子。每个杂质原子给出一个电子，称为给出一个电子，称为施主原子施主原子。N 型半导体型半导体

12、：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为电子半导体。也称为电子半导体。掺入元素掺入元素：五价元素（磷、砷、锑：五价元素（磷、砷、锑ti）1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？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.本征激发成对产生的电子和空穴。本征激发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，掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度自由电子浓度远大于远大于空穴浓度。自由电子称为空穴浓度。自由电子称为多多数

13、载流子数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少少子子）。）。#正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体2.P型半导体型半导体3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。导电性越强。在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓

14、度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，晶体点在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外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，与相邻的层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为由于硼原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。P 型半导体型

15、半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为空穴半导体。称为空穴半导体。掺入元素掺入元素：三价元素（硼、铟）：三价元素（硼、铟）1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子空穴空穴(多子多子)：杂质原子：杂质原子+本征激发本征激发电子电子(少子少子)：本征激发：本征激发P 型半导体型半导体中中空穴是多空穴是多子子，电子是电子是少子少子。#负离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。负离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性

16、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 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/cm33.杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数载流子数。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体4.杂质半导体的性质：杂质半导体的性质

17、：1.杂质半导体保持电中性杂质半导体保持电中性 多子电荷总量多子电荷总量=少子少子+离子电荷总量离子电荷总量。2.载流子仍为自由电子和空穴载流子仍为自由电子和空穴.3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力导电能力增强增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度所以受温度影响小影响小.1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体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。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但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。

18、近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。5.杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法负离子负离子空穴空穴(多子多子)1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体6.载流子的漂移运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动 热运动：没有电场作用时，半导体中载流子的不规热运动：没有电场作用时，半导体中载流子的不规则运动。则运动。无电流无电流 漂移运动：有电场作用时，半导体中载流子产生定漂移运动：有电场作用时，半导体中载流子产生定向运动。向运动。漂移电流漂移电流 扩散运动：当半导体受光照或从外界有载流子注入扩散运动：当半导体受光照或从外界有载流子注入时，半导体内载流子浓度分布不均匀，

19、载流子从高时，半导体内载流子浓度分布不均匀，载流子从高浓度区域向低浓度区域运动。浓度区域向低浓度区域运动。扩散电流扩散电流1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 半导体特性半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加热敏特性热敏特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏特性光敏特性光敏器件光敏器件光电器件光电器件本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质N型半导体、型半导体、P型半导体型半

20、导体自由电子、空穴自由电子、空穴多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 本小本小节的节的有关有关概念概念1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.1.3 PN1.1.3 PN结结扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。续进行。1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识结的形成结的形成 因电场作用所产生

21、因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。1.1.3 PN1.1.3 PN结结内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散因浓度差因浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子

22、形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动称扩散运动扩散运动产生扩散电流扩散运动产生扩散电流漂移运动漂移运动少子向对方漂移少子向对方漂移,称漂移运动称漂移运动漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流=漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流结内总电流=0=0。PN PN 结结稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层1.1.3 PN1.1.3 PN结结PN结加正向电压

23、导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。结的单向导电性结的单向导电性1.1.3 PN1.1.3 PN结结PN 结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置也就是：也就是：P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。PN

24、结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置也就是：也就是：P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。归纳：PN PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电扩散电流流，呈现低电阻，呈现低电阻，PNPN结结导通导通；PNPN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电漂移电流流，呈现高电阻，呈现高电阻，PNPN结结截止截止。在于它的耗尽层的存在，且其宽度随外加电压而变化。关 键这就是PN结的单向导电性。iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结伏安特性结伏安特性 iD/mA 1.0 0.5 iD=IS 0.5 1.0 0.

25、5 0 1.0 D/V 式中式中 Is 反向饱和电流反向饱和电流;UT 等效电压等效电压 T=300k（室温）时（室温）时 UT=26mv1)(eTSUUIi 当加反向电压时：当加反向电压时：当加正向电压时：当加正向电压时：(UUT)TeSUUII SIIPN结两端的电压与结两端的电压与流过流过PN结电流的关系式结电流的关系式3PN结电流方程结电流方程1.1.3 PN1.1.3 PN结结4.PN结的伏安特性结的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿1.1.3 PN1.1.3 PN结结击穿是可逆。击穿是可逆。掺杂浓度掺杂浓度小小的二极管容易发生的二极管容易发生反向击穿反向击穿P

26、N结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象流激增的现象雪崩击穿雪崩击穿当反向电压增高时，当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。齐纳击穿齐纳击穿当反向电压较大时，当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子子拉出来，形成大量载流子,使反向电流使反向电流激增。激增。击穿是可逆。击穿是可逆。掺杂浓度掺杂浓度大大的二

27、极管容易发生的二极管容易发生PN结的反向击穿结的反向击穿1.1.3 PN1.1.3 PN结结热击穿电击穿1.1.3 PN1.1.3 PN结结结的电容效应结的电容效应1.势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容：dbjCCC 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！程度，则失去单向导电性！