电子技术基础-0半导体器件基础知识

1、目目 录录contentscontents导体、半导体、绝缘体本征半导体掺杂半导体31.1. 物质分类物质分类 根据根据物质导电物质导电能力能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导体、绝的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。缘体和半导体。 ：1010108 8mm ：10106 6mm10108 8mm41.1. 物质分类物质分类 铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最铁、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，形成电外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。流。 惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力

2、很强，只有在外电场强到一定程度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。时才可能导电。 硅（硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe），均为四价元素，），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。缘体之间。52.2.物质导电能力有差异的内因物质导电能力有差异的内因 绕原子核高速旋转的核外绕原子核高速旋转的核外电子电子。 自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。 原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电

3、的电子组成。的带有负电的电子组成。原子结构中：原子结构中：原子核原子核中有质子和中子原子核中有质子和中子，其中其中质子质子，中子不，中子不带电。带电。62.2.物质导电能力有差异的内因物质导电能力有差异的内因 导体的最外层电子数通常是导体的最外层电子数通常是1-31-3个，且距原子核较远，因此个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体受原子核的束缚较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子会获得一定能量，挣脱原子核的束缚而游离到空间的最外层电子会获得一定能量，挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有成

4、为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。原子核内部含有大量的自由电子72.2.物质导电能力有差异的内因物质导电能力有差异的内因 绝缘体的最外层电子数一般为绝缘体的最外层电子数一般为6-86-8个，且距原子核较近，因个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。 常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。或不导电。 常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。常用

5、的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。原子核内部内部几乎没有自由电子，因此不导电。几乎没有自由电子，因此不导电。82.2.物质导电能力有差异的内因物质导电能力有差异的内因 半导体半导体的最外层电子数一般为的最外层电子数一般为4 4个，在常温下存在的自由电个，在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。是介于导体和绝缘体之间。 常用常用的半导体材料有硅、锗、硒等。的半导体材料有硅、锗、硒等。 虽然虽然导电性能介于导体和绝缘体之导电性能介于导体和绝缘体之间，但是具有其独特的性能。间，但是具有

6、其独特的性能。原子核93.3.半导体的特性半导体的特性(1)(1)：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。敏性可制成热敏元件。(2)(2)：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。件。(3)(3)：导电：导电能力受杂质影响极大能力受杂质影响极大，杂质浓度越高导电能力

7、，杂质浓度越高导电能力越强，称为越强，称为掺杂性。掺杂性。 10+Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图因为原子呈电中性，所以简化因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的模型图中的原子核只用带圈的+4+4符号表示即可。符号表示即可。 最常用的半导体为硅最常用的半导体为硅(Si(Si) )（原子序数（原子序数1414）和）和锗锗( (GeGe) )（原子（原子序数序数3232），它们），它们的共同特征是的共同特征是，即每个，即每个。1.1.硅和锗的原子简化模型硅和锗的原子简化模型11不含不含任何杂质晶格结构完整的任何杂质晶格结构完整的半导体晶体。半导体晶体。 制造制造

8、半导体器件的半导体材料的纯度要达到半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%，常，常称为称为“9999纯度纯度”。2.2.本征半导体本征半导体123.3.硅晶体结构图硅晶体结构图13+4+4144.4.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 把把硅和锗材料制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层硅和锗材料制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电电子成为子成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又又出现出现在相邻原子所属的轨道上，即价电子不仅受到自身原子核在相邻原子所属的轨道上，即价电子不仅受

9、到自身原子核的的作用，作用，同时还受到相邻原子核的吸引。于是，相邻的原子共有同时还受到相邻原子核的吸引。于是，相邻的原子共有一对一对价电子价电子，组成，组成。每一个原子均与相邻的四个原子每一个原子均与相邻的四个原子结合，即结合，即。4444444444.4.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构在绝对温度在绝对温度，所有的价电子都紧紧束缚在共价，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，键中，因此本征半导体的导电能力很因此本征半导体的导电能力很弱，弱，。+4+4+4+4+4+4+4+4+4155.5.本征半导体中的本征激发本征半导体中的本征激发444444444从共价键晶格结构来从共价键晶格结构

10、来看，每个原子外层都看，每个原子外层都具有具有8 8个价电子。但个价电子。但价电子是相邻原子共价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原在游离走的价电子原位上留下一个不能移位上留下一个不能移动的空位，叫动的空位，叫空穴空穴。 受光照或温度上升受光照或温度上升影响，共价键中价电影响，共价键中价电子的热运动加剧，一子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间核的束缚游离到空间成为成为自由电子自由电子。由于由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为。 本征激发的结果

11、，造成了半导体内部本征激发的结果，造成了半导体内部的产生，的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成失掉电子的原子变成带正电荷的离带正电荷的离子。子。 由于由于共价键的束缚作用，共价键的束缚作用，这些带正电的离子不会移动，即不能这些带正电的离子不会移动，即不能参与参与导电，成为晶体中固定不动的导电，成为晶体中固定不动的。 166.6.本征半导体中的自由电子本征半导体中的自由电子- -空穴对复合空穴对复合4 44 44 44 44 44 44 44 44 4受光照或温度受光照或温度上升影响，共上升影响，共价键中其它一价键中其它一些价电子直接些价电子

12、直接跳进跳进空穴，使空穴，使失电子的原子失电子的原子重新恢复电中重新恢复电中性性。 价电子填补空穴的现象称为价电子填补空穴的现象称为。 参与参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子价电子填补空填补空穴的复合运动穴的复合运动称为称为。此时整个晶此时整个晶体带电吗？体带电吗？为什么？为什么？177.7.本征半导体的导电机制本征半导体的导电机制 自由电子载流子运动可以自由电子载流子运动可以形容形容为没有座位人的为没有座位人的移动；移动；空穴空穴载流

13、子载流子运动则可形容为有运动则可形容为有座位的座位的人依人依次向前挪动座位的运动次向前挪动座位的运动。半导体。半导体内部的这两种运内部的这两种运动动总是总是共存共存的，且在的，且在一定温度下达一定温度下达到到动态平衡动态平衡。自由电子运动方向：自由电子运动方向：DCB-ADCB-A。空穴运动方向：空穴运动方向：ABCDABCD二者二者运动方向相反运动方向相反187.7.本征半导体的导电机制本征半导体的导电机制自由电子自由电子：空穴空穴：因为二者都是携带电荷的粒子，所以统称为因为二者都是携带电荷的粒子，所以统称为 半导体的导电机理与金属导体导电半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别机理

14、有本质上的区别：金属：金属导体中只导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而有自由电子一种载流子参与导电；而半导体半导体中则中则是本征激发下的自由电子是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴和复合运动形成的空穴。两种载流子电量相等、。两种载流子电量相等、符号相反，即符号相反，即自由电子自由电子载流子和空穴载流子和空穴载流子的运动方向相反。载流子的运动方向相反。191.1.空穴空穴与电子是成对出现的，称为电子与电子是成对出现的，称为电子空穴对。其自由电子空穴对。其自由电子和和 空穴空穴数目总是相等的数目总是相等的。所以整块晶体仍然呈。所以整块晶体仍然呈。2.2.温度温度越高越高，光照能量越强，产

15、生，光照能量越强，产生的电子的电子空穴对数目就越多空穴对数目就越多， 这这就是半导体的就是半导体的。3.3.在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到。电电 子子空穴对的浓度一定空穴对的浓度一定。4.4.本征半导体的导电性能很差，而且和本征半导体的导电性能很差，而且和环境温度光照密切相关，环境温度光照密切相关， 因此导电性能很不稳定因此导电性能很不稳定。5.5.只是价电子跳出共价键之后留下的空位，并不是实粒子。只是价电子跳出共价键之后留下的空位，并不是实粒子。 只在半导体中存在。只在半导体中存在。20 本征半导体本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子

16、，但由于虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。 杂质杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓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，实现导电性可控度越高，导电性越强，实现导电性可控。 ：掺入五价元素后形成的半导体，：掺入五价元素后形成的半导体，自由电子浓度大大升高。主要靠自由电子导自由电子浓度大大升高。主要靠自由电子导电。电。：掺入三价元素后形成的半导体，：

17、掺入三价元素后形成的半导体，空穴浓度大大升高。主要靠空穴导电。空穴浓度大大升高。主要靠空穴导电。 一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数少数载流子载流子数量的数量的10101010倍或更多，因此，杂质半导体比倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体的本征半导体的导电能力可增强几十万倍。导电能力可增强几十万倍。211.N1.N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，阵中的某些半导体原子被杂质取代，其中四个与相邻的半导体原子形成共价

18、键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为电子，称为。221.N1.N型半导体型半导体五价元素磷五价元素磷(P)(P)4 44 44 44 44 44 44 44 44 4P P掺入磷杂质的硅半掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由导体晶格中，自由电子的数量大大增电子的数量大大增加。因此加。因此自由电子自由电子是这种半导体的是这种半导体的导导电主流电主流。 掺入掺入元素的杂质

19、半导体，由于空穴载流子的数量大大元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于于自由电子自由电子载流子的数量而载流子的数量而称为电子型称为电子型半导体，也半导体，也叫做叫做半导半导体体。在。在P P型半导体中，不能移动的离子型半导体中，不能移动的离子带带。2324+4+4+4+4+4+4+4+4+51.N1.N型半导体型半导体1.1.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 2. .由于热激发仍成由于热激发仍成对对产生电子产生电子和空穴。和空穴。 掺杂掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电自由电子浓

20、度子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），），空穴称为空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。242.P2.P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），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，与相邻个价电子，与相邻的的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴这个空穴可以吸引可以吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动束缚电子来填补，使得硼

21、原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为。252.P2.P型半导体型半导体444444444三价元素硼(B)B掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。 掺入掺入元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于大于自由电子自由电子载流子的数量而称为载流子的数量而称为型半导体，也叫做型半导体，也叫做半导体半导体。在。在P P型半导体中，不能移动的离子带型半导体中，不能移动的离子带。262.P2.P型半导体型半导体空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+

22、4+4+4+4+3+4+4P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对1.1.由受主由受主原子提供原子提供的空穴，的空穴，浓度浓度与受主与受主原子相同。原子相同。2 2. .由于热激发仍成由于热激发仍成对产生的电子和空穴。对产生的电子和空穴。 掺杂掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴空穴浓浓度度远大远大于于自由电子自由电子浓度。浓度。空穴空穴称为称为多数载流子多数载流子（多子多子），），自由自由电子电子称为称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。273.3.掺杂半导体的几点说明掺杂半导体的几点说明1.1.对于杂质半导体，多子的浓度越高，少子的浓度就越低。对于杂质半导体，多子的浓度越高，少子的浓度就越低。2.2.约等于所掺杂质原子的浓度，故约等于所掺杂质原子的浓度，故；子子由本征激发而成，尽管其浓度很低，但温由本征激发而成，尽管其浓度很低，但温 度变化时，其浓度的变化很大，其度变化时，其浓度的变化很大，其。 故少子对器件性能的影响却不故少子对器件性能的影响却不“少少”。3.N3.N型：自由电子数目型：自由电子数目= =空穴数目空穴数目+ +正离子正离子数目数目 P P型：空穴数目型：空穴数目= =自由电子数目自由电子数目+ +负离子数目负离子