半导体的基础知识

1、模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 知识目标：知识目标： 1.了解半导体的分类；了解半导体的分类； 2.掌握掌握P、N型半导体的性质；型半导体的性质； 3.重点掌握重点掌握PN结的性质。结的性质。 PN结的性质结的性质 PN结的形成原理结的形成原理 第第1 1讲讲 教学目标教学目标 教学重点教学重点 教学难点教学难点 能力目标：会检测能力目标：会检测PN结的性质。结的性质。 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 半导体的基础知识 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、PN结结 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 半导体的基础

2、知识 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，物体分为导的不同，物体分为导 体、绝缘体和体、绝缘体和半导体半导体。 半导体半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。是导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。 半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3 -3 10109 9 cm。典型的半导体。典型的半导体 有有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 半导体的特性半导体的特性: : 光敏特性光敏特性（用于制作光敏电阻、二极管、三极管等用于制作光敏电阻、二极管、三极管等） 热敏特性热敏特性（用于制作电阻用于制作电阻） 掺杂特性掺杂特性（用于制作半导体器件用

3、于制作半导体器件）。）。 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 1、本征半导体的共价键结构 2、电子空穴对 3、空穴的移动 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。 一、本征半导体 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 1、本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电 子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形 成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，

4、并为 它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体（单晶体）。 这种结构的立体和平面示意图见图1.1。 图1.1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图 (c) 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 2、电子空穴对、电子空穴对 当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0K时，导体中没有时，导体中没有 自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价 电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的 束缚，而参与导电，成为束缚，而参与导电，成为自由电子自由电子。 自由电子产生的同时，在其原

5、来的共价键中自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈 现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 人们常称呈现正电性的这个空位为人们常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电 子也可能回到空穴中去，称为复合，如图1.2所示 。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 图1.2 本征激发和复合的过

6、程（动画1-1） 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 3、 空穴的移动 自由电子的定向 运动形成了电子电流 ，空穴的定向运动也 可形成空穴电流，它 们的方向相反。只不 过空穴的运动是靠相 邻共价键中的价电子 依次充填空穴来实现 的。见图1.3的动画 演示。（动画1-2） 图1.3 空穴在晶格中的移动 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 二、杂质半导体 1.N型半导体 2.P型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂在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。掺入杂质的本的杂质主要是三价或

7、五价元素。掺入杂质的本 征半导体称为征半导体称为杂质半导体杂质半导体。 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 1.N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷、砷、锑等在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷、砷、锑等 ，可形成，可形成 N型半导体型半导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体因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 键束缚而很容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。键束缚而很容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。 N型半

8、导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子, 主要由主要由杂质原子提供杂质原子提供； 空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发产生。由热激发产生。 提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子带正电提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子带正电 荷而成为荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。N 型半导体的结构示意图如图型半导体的结构示意图如图1. 4所示。所示。 图1.4 N型半导体结构示意图 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 2.P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、

9、镓、铟等形成 了了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电因三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。子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子因得到一个电子成空穴很容易俘获电子，使杂质原子因得到一个电子成 为为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。P型半导体的型半导体的 结构示意图如

10、图结构示意图如图1. 5所示。所示。 图1.5 P型半导体的结构示意图 图1.5 P型半导体的结构示意图 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 3.杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性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 =1.41110/cm3 1 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2 掺杂后掺杂后 N 型半导体中

11、的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51116/cm3 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 三、三、PN结结 1.PN结的形成 2.PN结的单向导电性 3.PN结的电容效应 4.PN结的击穿特性 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 1.PN结的形成 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质, , 分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半型半 导体和导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动 空间电荷区形成内电场空间电

12、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 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 在交界处电子和空穴相符合形在交界处电子和空穴相符合形 成由成由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。在。在 P型半导体和型半导体和N型型 半导体结合面，半导体结合面， 由离子薄层形成由离子薄层形成 的的空间电荷区空间电荷区称称 为为PN结结。在空间。在空间 电荷区，由于缺电荷区，由于缺 少多子，所以也少多子，所以也 称为称为耗尽层耗尽层。 图1. 6 PN结的形成过程 （动画1-3

13、） PN 结形成结形成 的过程可参阅图的过程可参阅图1.6。 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 2.PN结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中： P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压 ，简称，简称正偏正偏； PN结具有单向导电性结具有单向导电性，若外加电压使电流从，若外加电压使电流从P 区流到区流到N区，区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之结呈低阻性，所以电流大；反之 是高阻性，电流小。是高阻性，电流小。 P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压， 简称简称反偏反偏。 模模 拟拟 电电 子子 技

14、技 术术 (1) PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有外加的正向电压有 一部分降落在一部分降落在PN结区，结区， 方向与方向与PN结内电场方向结内电场方向 相反，削弱了内电场。相反，削弱了内电场。 于是于是, ,内电场对多子扩散内电场对多子扩散 运动的阻碍减弱，扩散运动的阻碍减弱，扩散 电流加大。扩散电流远电流加大。扩散电流远 大于漂移电流，可忽略大于漂移电流，可忽略 漂移电流的影响，漂移电流的影响，PN结结 呈现低阻性。呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况如图结加正向电压时的导电情况如图1.7所示。所示。 （动画1-4） 图1.7 PN结加正向电压 时

15、的导电情况 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 (2) PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与 PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子 扩散运动的阻碍增强，扩散运动的阻碍增强， 扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时 PN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的 作用下形成的漂移电流大作用下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散 电流，电流，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 在一定的温度条件在一定的温度条件 下，

16、由本征激发决定的下，由本征激发决定的 少子浓度是一定的，故少子浓度是一定的，故 少子形成的漂移电流是少子形成的漂移电流是 恒定的，基本上与所加恒定的，基本上与所加 反向电压的大小无关反向电压的大小无关， 这个电流也称为这个电流也称为反向饱反向饱 和电流和电流。 PN结加反向电压时的导电情况如图结加反向电压时的导电情况如图1. 8所示。所示。 图图 1.8 PN结加反向电压时的结加反向电压时的 导电情况导电情况 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 PN结加正向电压结加正向电压 时，呈现低电阻，具时，呈现低电阻，具 有较大的正向扩散电有较大的正向扩散电 流；流；PN结加反向电压结加反向电压 时，呈

17、现高电阻，具时，呈现高电阻，具 有很小的反向漂移电有很小的反向漂移电 流。流。由此可以得出结由此可以得出结 论：论：PN结具有单向导结具有单向导 电性。电性。 （动画1-5） 图 1.8 PN结加反向电压时 的导电情况 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 #3.PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的结具有一定的电容效应，它由两方面的 因素决定。因素决定。 一是势垒电容一是势垒电容CB ， 二是扩散电容二是扩散电容CD 。 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 (1) 势垒电容势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电

18、压使当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层结上压降发生变化时，离子薄层 的厚度也相应地随之改变，这相当的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的结中存储的 电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容 的示意图见图的示意图见图1.9。 图 1.9 势垒电容示意图 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面结的另一侧面 积累而形成的。因积累而形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电的电子，与外电源提供的空穴相复合，形

19、成正向电 流。刚扩散过来的电子就堆积在流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结结 的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。 (2) 扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P区扩散到区扩散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图 如图如图1.10所示。所示。 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 图 1.10 扩散电容示意图 当外加正向电压当外加正向电压 不同时，扩散电流即不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也外电路电流的大小也 就不同。所以就不同。所以PN结两结两 侧堆积的多子的浓度侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电就相当电容的充放电 过程。势垒