半导体的基本知识课件

半导体的基本知识半導體的導電機制典型的半導體材料

元素 矽（Si）、鍺（Ge）化合物 砷化鎵（GaAs）摻雜元素或化合物 硼（B）、磷（P）2.1.1

半導體材料半導體有溫敏、光敏和摻雜等導電特性。根據物體導電能力，來劃分導體和絕緣體。導體

絕緣體導電能力用電阻率(或電導率）來描述：導體＜10-4Ωcm絕緣體＞109Ωcm

2.1.1半導體材料

導體、絕緣體和半導體的劃分半導體2.1.2

半導體的共價鍵結構（原子物理）矽14—1s2，2s2，2p6，3s2，3p2鍺32—1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10，4s2，4p214原子核電子價電子矽的原子結構矽和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構2.1.2半導體的共價鍵結構

晶體結構的說明

晶體與非晶體－原子結構排列是否有序單晶與多晶－整塊晶體的晶格取向是否一致

半導體材料的原子形成有序的排列，鄰近原子之間由共價鍵連接，所以半導體是共價晶體。半導體器件必須用單晶製造（電晶體）。

2.1.2半導體的共價鍵結構

2.1.3

本征半導體本征半導體——化學成分純淨（99.99999％）的半導體單晶體。須在單晶爐中提煉得到。本征半導體的導電機制：

自由電子和空穴對——熱激發或光照使價電子獲得掙脫共價鍵束縛的能量，成為自由電子，同時共價鍵中留下一個空穴。（1）外電場使自由電子導電（2）同時也使相鄰共價鍵中受束縛的價電子依次充填空穴，產生空穴的移動效果而導電

2.1.3本征半導體

本征半導體導電能力（量子力學）

2.1.3本征半導體

（1）能帶圖：價電子進入導帶，必須具有能量克服禁帶。矽：1.1eV鍺：0.7eV本征半導體導電能力（量子力學）

2.1.3本征半導體

（2）本征半導體載流子濃度(T=300°K)和原子濃度：矽：ni

=pi=1.4×1010/cm3；4.96×1022/cm3鍺：ni

=pi=2.4×1013/cm3；4.42×1022/cm3

溫度升高，載流子濃度上升受到光照，載流子濃度大於熱平衡時的濃度與原子密度相比，載流子濃度極小，本征半導體導電能力不強導體、半導體與絕緣體（量子力學）

2.1.3本征半導體

導體半導體絕緣體2.1.4

雜質半導體

半導體的摻雜

在本征半導體中人為摻入某些微量元素作為雜質，稱為雜質半導體。在提煉單晶的過程中一起完成。摻雜是為了顯著改變半導體中的自由電子濃度或空穴濃度，以明顯提高半導體的導電性能。三價元素摻雜——P型半導體在矽（鍺）單晶中摻入少量三價元素硼，或鋁、銦、鎵等，則三價元素原子在晶格中缺少一個價電子，從而造成一個空位

2.1.4摻雜半導體

2.1.4摻雜半導體

空位很容易俘獲鄰近四價原子的價電子，即在鄰近產生一個空穴，空穴可以參與導電。空位俘獲電子後，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。負離子束縛於晶格中，不參與導電。摻雜後P型半導體中的空穴濃度等於摻雜濃度，例如pp0

=5×1016/cm3。有：

pp0

＞＞ni

＞np0在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數載流子，它仍由熱激發形成。五價元素摻雜——N型半導體在矽（鍺）單晶中摻入少量五價元素磷，或砷、銻等，則五價元素原子在晶格中多餘一個價電子

2.1.4摻雜半導體

2.1.4摻雜半導體

多餘價電子容易成為自由電子，可以參與導電。提供自由電子後的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子稱為施主雜質。正離子束縛於晶格中，不參與導電。摻雜後N型半導體中的自由電子濃度等於摻雜濃度，例如np0

=5×1016/cm3。因而有：

np0

＞＞pi

＞pp0在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由摻雜形成；空穴是少數載流