《半导体的基本知识》PPT课件.ppt

第二讲半导体基础知识 一 本征半导体 二 杂质半导体 三 PN结 根据导电能力把物质分类 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 1 1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 半导体 硅 Si 锗 Ge 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 1 1半导体基础知识 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间 其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 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 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 1 1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 原子呈中性 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 1 1 1本征半导体 原子结构简化图 惯性核 原子核和内层电子外层价电子 最外层电子 1 1半导体基础知识 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 无杂质 稳定的结构 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共价键 共用一对价电子 1 1 1本征半导体 1 本征半导体的结构 由于热运动 具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置 称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失 称为复合 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 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 1 1 1本征半导体 本征激发 半导体中共价键分裂产生电子 空穴对的过程 原因 加热 光或其它射线照射 载流子的复合 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 该过程称为 激发复合 1 1 1本征半导体 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 且运动方向相反 由于载流子数目很少 故导电性很差 温度升高 热运动加剧 载流子浓度增大 导电性增强 热力学温度0K时不导电 2 本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为载流子 1 1 1本征半导体 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 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 1 T 0K时 载流子的浓度为0 2 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 3 导电能力差 并对温度很敏感 1 1 1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 1 1 2杂质半导体 杂质半导体 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 掺入三价元素如B Al等 形成P型半导体 也称空穴型半导体 掺入五价元素如P As 砷 等 形成N型半导体 也称电子型半导体 1 1半导体基础知识 磷 P 杂质半导体主要靠多数载流子导电 掺入杂质越多 多子浓度越高 导电性越强 实现导电性可控 多数载流子 N型半导体中的载流子是什么 1 1 2杂质半导体 1 N型半导体 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 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样杂质原子就成了不能移动的带正电的离子 每个杂质原子给出一个电子 称为施主原子 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为电子半导体 掺入元素 五价元素 磷 砷 锑ti 1 1 2杂质半导体 N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 2 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 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 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杂质半导体 2 P型半导体 硼 B 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电 掺入杂质越多 空穴浓度越高 导电性越强 在杂质半导体中 温度变化时 载流子的数目变化吗 少子与多子变化的数目相同吗 少子与多子浓度的变化相同吗 1 1 2杂质半导体 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 硼原子的最外层有三个价电子 与相邻的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 所以称为受主原子 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为空穴半导体 掺入元素 三价元素 硼 铟 1 1 2杂质半导体 空穴 硼原子 空穴 多子 杂质原子 本征激发电子 少子 本征激发 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 负离子不能自由运动 不能自由运动参加导电 不是载流子 1 1 2杂质半导体 掺入杂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 3 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 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 1 1 2杂质半导体 4 杂质半导体的性质 1 杂质半导体保持电中性多子电荷总量 少子 离子电荷总量 2 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 导电能力增强 多子的浓度主要由掺杂浓度决定 所以受温度影响小 1 1 2杂质半导体 杂质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 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 负离子 空穴 多子 1 1 2杂质半导体 6 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则运动 无电流漂移运动 有电场作用时 半导体中载流子产生定向运动 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 扩散电流 1 1 2杂质半导体 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 热敏特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光敏特性 光敏器件光电器件 1 1 2杂质半导体 1 1 3PN结 P区空穴浓度远高于N区 N区自由电子浓度远高于P区 扩散运动使靠近接触面P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续进行 1 1半导体基础知识 1 PN结的形成 因电场作用所产生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 达到动态平衡 就形成了PN结 由于扩散运动使P区与N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N区向P区 自由电子从P区向N区运动 1 1 3PN结 内电场阻止多子扩散 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 扩散运动 多子从浓度大向浓度小的区域扩散 称扩散运动扩散运动产生扩散电流 漂移运动 少子向对方漂移 称漂移运动漂移运动产生漂移电流 动态平衡 扩散电流 漂移电流 PN结内总电流 0 PN结 稳定的空间电荷区 又称高阻区 也称耗尽层 1 1 3PN结 PN结加正向电压导通 耗尽层变窄 扩散运动加剧 由于外电源的作用 形成扩散电流 PN结处于导通状态 PN结加反向电压截止 耗尽层变宽 阻止扩散运动 有利于漂移运动 形成漂移电流 由于电流很小 故可近似认为其截止 2 PN结的单向导电性 1 1 3PN结 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置也就是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置也就是 P区加负 N区加正电压 归纳 PN结加正向电压时 具有较大的正向扩散电流 呈现低电阻 PN结导通 PN结加反向电压时 具有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 PN结截止 在于它的耗尽层的存在 且其宽度随外加电压而变化 这就是PN结的单向导电性 式中Is 反向饱和电流 UT 等效电压T 300k 室温 时UT 26mv 当加反向电压时 当加正向电压时 U UT PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式 3 PN结电流方程 1 1 3PN结 4 PN结的伏安特性 正向特性 反向特性 反向击穿 1 1 3PN结 击穿是可逆 掺杂浓度小的二极管容易发生 反向击穿 PN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 雪崩击穿 当反向电压增高时 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 形成连锁反应 象雪崩一样 使反向电流激增 齐纳击穿 当反向电压较大时 强电场直接从共价键中将电子拉出来 形成大量载流子 使反向电流激增 击穿是可逆 掺杂浓度大的二极管容易发生 PN结的反向击穿 1 1 3PN结