工程学概论》半导体基本特性.ppt

1、第二章 半导体及其基本特性,1.1 半导体基础知识,在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。通常将很容易导电、 电阻率小于10-4cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料; 将很难导电、电阻率大于1010cm的物质，称为绝缘体， 例如塑料、橡胶、陶瓷等材料; 将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3-109cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。,用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导

2、体的热敏特性、 光敏特性和掺杂特性。 例如，纯净的半导体硅，当温度从30升高到40时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30升高到100时， 电阻率的增加还不到1倍。又如，纯净硅在室温时的电阻率为 2.14105cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999，但它的电阻率却下降到 0.2 cm，几乎减少到原来的百万分之一。可见，当半导体受热或掺入杂质后，导电性能会发生变化。人们利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种热敏元件和光敏元件，利用掺杂特性制成的P结是各种半导体器件的主要组成部分。,半导体的主要特点： 1、在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升

3、而指数增加 2、杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，在重掺杂情况下温度对电导率影响较弱 3、在半导体中可以实现非均匀掺杂 4、光的辐照、高能电子等注入可以影响半导体的电阻率,1.1.1 本征半导体,纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。 1 本征半导体的晶体结构 常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）的原子序数分别为14和32，它们的原子结构如图1-1（a）和（b）所示。由图可见，硅和锗原子的最外层轨道上都有四个电子，同属于四价元素。由于内层电子受原子核的束缚力很大，很难脱离原子核，为简化起见，将内层电子和原子核看成一个整体， 称为惯性核，它的净电量是四个正电子电

4、量。最外层的四个电子受原子核的束缚力较小，有可能成为自由电子，常称为价电子。 硅或锗原子的简化模型如图1-1（c）所示。,图 1-1 硅和锗的原子结构模型 (a) 硅； (b) 锗； (c) 原子简化模型,3S23P2,3d104S24P2,硅和锗都是晶体，晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵称为晶格。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单晶体即为本征半导体。硅或锗制成单晶体后，相邻两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但受本身原子核的吸引， 而且受相邻原子核的吸引，从而将两个原子牢固地束缚在一起， 这种共用价电子所形成的束缚作用就叫共价键。硅或锗原子最外层的四个价电子，正好和

5、相邻的四个原子中的价电子组成四个共用电子对，构成四个共价键，使每个硅或锗原子的最外层电子获得稳定结构，如图1-2所示。,图 1-2 硅和锗晶体共价键结构示意图,半导体的结构,原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构 成 一 个正四 面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构,半导体的结合和晶体结构,金刚石结构,半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS,2 本征半导体中的两种载流子 在绝对零度（T=-273或T=0 K）下，本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，本征半导体相当于绝缘体。 但在室温下（T=27或T=300 K），本

6、征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，与此同时，在该共价键上留下了空位，这个空位称为空穴。由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对产生，称之为电子-空穴对。 这种由于本征半导体受热而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。,图 1-3 电子-空穴对的产生和空穴的移动,半导体中的载流子：能够导电的自由粒子,电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子 空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,价带：0K条件下

7、被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差,半导体的能带结构,半导体的能带 (价带、导带和带隙),量子态和能级 固体的能带结构,原子能级 能带,禁带,能带,3 热平衡载流子的浓度 在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状态。 半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的， 并且自由

8、电子的浓度和空穴的浓度相等。 根据半导体物理中的有关理论，可以证明,（1-1）,式中，浓度单位为cm-3，K是常量（硅为3.881016 cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-3/2），T为热力学温度，k是玻尔兹曼常数（8.6310-5 ev/K），Eg0 是T=0 K（即-273）时的禁带宽度（硅为1.21 ev， 锗为0.785 ev）。 式（1-1）表明，本征半导体的载流子浓度和温度、 材料有关。尽管本征半导体在室温情况下具有一定的导电能力，但是，本征半导体中载流子的数目远小于原子数目，因此本征半导体的导电能力是很低的。,本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与

9、禁带宽度和温度有关,本征载流子,本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子,载流子浓度,电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p,1 N型半导体 在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、 锑等， 使原来晶格中的某些硅原子被杂质原子所取代，便构成N型半导体。由于杂质原子有五个价电子，其中四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子形成共价键，还剩一个价电子，这个价电子不受共价键的束缚，只受原子核的吸引，在室温下，该价电子所获得的热能使它摆脱原子核的吸引而成为自由电子，则杂质原子因失去一个价电子而成为不能移动的杂质正离子，如图1-4所示。,1.1.2 杂质半导体,图 1-

10、4 N型半导体结构示意图,在N型半导体中，由于杂质原子产生自由电子的同时并不产生空穴，因此自由电子的浓度远大于空穴的浓度， 故称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。由于五价杂质原子能释放出电子，因此这类杂质原子称为施主原子。,2P型半导体 在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。由于杂质原子只有三个价电子，当杂质原子替代硅原子的位置后，杂质原子的三个价电子仅与相邻的三个硅原子的价电子形成共价键，与第四个相邻的硅原子不能构成完整的共价键而出现一个空位。这个空位极易接受其它硅原子共价键中的价电子，使杂质原子成为带负电的杂质负离子，同时硅

11、原子的共价键中因缺少一个价电子而产生一个空穴，如图1-5所示。 由于三价杂质原子所产生的空位起着接受电子的作用， 因此称之为受主原子。在P型半导体中，由于掺入的是三价杂质元素， 使空穴浓度远大于自由电子浓度，因此空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子。,图 1-5 P型半导体结构示意图,受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,3.半导体的掺杂,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B,施主能级,受

12、主能级,杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态,3. 非本征半导体的载流子,在非本征情形:,热平衡时:,N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n,多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴 少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子,1.1.3 PN结 在一块完整的本征半导体硅或锗片上，利用不同的掺杂工艺， 使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体， 在它们的交界处便形成PN结。 半导体器件的核心是PN结。半导体二极管是单个PN结； 半导体三极管具有两个PN结； 场效应管的基本结构也是PN结。,1 PN结的形成 在P型半导体和N型半导体的交界面，由于载流子浓度

13、的差别，载流子会从浓度高的区域向浓度低的区域产生扩散运动。即P型区的多子(空穴)向N型区扩散，N型区的多子(自由电子)向P型区扩散，如图1-6（a）所示。扩散的结果是在交界面附近，P型区一侧由于失去空穴而留下了不能移动的杂质负离子，N型区一侧由于失去电子而留下了不能移动的杂质正离子。扩散到对方的载流子成为异型半导体中的少子而与该区的多子复合，这样， 在交界面两侧就出现了由不能移动的杂质正负离子构成的空间电荷区，也就是PN结，如图1-6（b）所示。由于空间电荷区中的载流子已经复合掉或者说消耗尽了，因此空间电荷区又可称为耗尽层。随着多子扩散运动的进行，空间电荷区交界面两侧的离子电荷量增多，空间电荷

14、区加宽，而空间电荷区以外的P型区和N型区仍处于热平衡状态且保持电中性。,图 1-6 PN结的形成 (a) 载流子的扩散运动； (b) 空间电荷区； (c) 电位分布,在空间电荷区里，由于杂质正负离子的极性相反，于是产生了由带正电的N型区指向带负电的P型区的电场，因为这个电场是由内部载流子扩散运动形成的， 故称为内电场。在内电场的作用下，少数载流子产生漂移运动， N型区的少子(空穴)漂移到P型区，P型区的少子(自由电子)漂移到N型区。这样，从N型区漂移到P型区的空穴填补了原来交界面上P型区所失去的空穴， 从P型区漂移到N型区的自由电子填补了原来交界面上N型区所失去的自由电子，漂移运动的结果是使空

15、间电荷区变窄。显然， 同类型载流子漂移运动的方向与扩散运动的方向相反。由于内电场阻止多子的扩散运动、增强少子的漂移运动，因此又将这个空间电荷区称为阻挡层。,当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡时，由多子扩散运动所形成的扩散电流和少子的漂移运动所形成的漂移电流相等，且两者方向相反，此时，空间电荷区的宽度一定，PN结电流为零。在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为内建电位差Uho, 如图1-6（c）所示。处于室温时，锗的Uho0.20.3 V，硅的Uho0.50.7 V。 ,由上述分析可知， 若P型和N型半导体的掺杂浓度不同， 空间电荷区内正、负离子的宽度也将不同，P型区和N型区的掺杂浓度

16、相等时，正离子区与负离子区的宽度也相等，称为对称PN结；当两边掺杂浓度不等时，浓度高的一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧， 称为不对称PN结。其中，P型区掺杂浓度大于N型区的称为P+N结；N型区掺杂浓度大于P型区的称为N+P结。,2PN结的单向导电性 1） 正向特性 若PN结外加正向电压，即PN结的P区接电源的正极， N区接电源的负极，则称PN结处于正向偏置，简称正偏，如图1-7所示。此时，外加电压的方向与内电场方向相反，在外电场的作用下，N型半导体中性区中的自由电子向空间电荷区移动，与空间电荷区中的正离子中和，P型半导体中性区中的空穴向空间电荷区移动， 与空间电荷区的负离子中和，而中性区失去的

17、自由电子和空穴则由外电源源源不断地向N型区和P型区注入，结果是空间电荷区变窄，内电场减弱。由于多子的扩散运动大于少子的漂移运动， 因此当外加电压增大到一定值以后， 扩散电流将大大增加。可见，正向偏置时，PN结中的电流主要是由扩散运动所形成的扩散电流，它是两种多数载流子的电流之和，称为正向电流。为了防止PN结因电流过大而损坏，通常在回路中串联一个电阻R， 起限流作用。,图 1-7 PN结外加正向电压时导通,2） 反向特性 若PN结外加反向电压，即PN结的P区接电源的负极，N区接电源的正极，则称PN结处于反向偏置，简称反偏，如图1-8所示。 此时，外加电压的方向与内电场方向相同，在外电场的作用下，

18、 P型区中的空穴和N型区中的自由电子离开PN结而使空间电荷区变宽，内电场加强，促进少子的漂移运动，阻止多子的扩散运动。 此时，流过PN结的电流主要是少子的漂移电流，外电路电流方向与PN结正偏时的正向电流方向相反，称为反向电流，记为I。由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很低，因此反向电流数值很小。在一定的温度下，当外加反向电压超过某个数值（约为零点几伏）后，反向电流将不再随着外加反向电压的增加而增大， 故又称为反向饱和电流（Reverse Saturation Current），用IS表示。,图 1-8 PN结外加反向电压时截止,综上所述，PN结正向偏置时，结电阻很小，回路中产生一个较大的

19、正向电流， PN结呈导通状态；PN结反向偏置时，结电阻很大， 回路中的反向电流很小，几乎接近于零，PN结呈截止状态。 所以，PN结具有单向导电性。,3） 伏安特性 PN结的伏安特性就是流过PN结的电流与其上所加电压之间的关系。 前面定性地讨论了PN结在外加正向电压和反向电压下电压与电流的关系，下面进一步借助数学方程式描述PN结的伏安特性。 根据理论分析，PN结两端的电压U和流过PN结的电流I之间的关系为,(1-2),式中, IS为反向饱和电流；UT为温度电压当量，UT=kT/q，其中k为玻尔兹曼常数（即为1.3810-23 J/K），q为电子电荷（约为1.610-19J）, T为PN结的绝对温

20、度。 对于室温T=300 K来说，UT26 mV。,从式（1-2）可知，当PN结外加正向电压（U为正）时，I随着的增大而增大。若UUT，则可得下列近似式： 即I随U按指数规律变化；当PN结外加反向电压（U为负），且|U|UT时，eU/UT0，则I-IS。即反向电流与反向电压大小无关。PN结的反向饱和电流IS一般很小（硅PN结的IS为毫微安量级， 锗PN结的IS为微安量级），所以PN结反向特性曲线几乎接近于横坐标。I与U的关系曲线如图1-9所示。,（1-3）,图 1-9 PN结伏安特性曲线,实际上，当PN结处于正向偏置，且外加正向电压不太大时，IS很小，所以I仍是很小的数值，PN结几乎不导通。只

21、有当外加正向电压较大时，电流I才会有明显的增加。工程上定义正向电压需达到一定的电压值，正向电流才开始显著上升， 该电压为导通电压, 用Uon表示。通常硅管的Uon0.60.8 V，锗管的Uon0.10.3 V。,3 PN结的击穿特性 如前所述， 当PN结外加反向电压时，流过PN结的反向电流很小，但是当反向电压不断增大，超过某一电压值时， 反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿。反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为反向击穿电压,如图1-10 所示。 PN结产生反向击穿的原因有以下两种：,图 1-10 PN结的击穿特性,1） 雪崩击穿 在掺杂浓度较低的PN结中，随着反向电压逐

22、渐增大，空间电荷区（即阻挡层）变宽，内电场加强，使参加漂移运动的载流子加速， 动能加大。当反向电压增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生电子-空穴对。新产生的载流子被电场加速后，又碰撞其它中性原子， 又产生新的电子-空穴对。 如此连锁反应，造成载流子急剧增多， 使反向电流“滚雪球”般地骤增，通常将这种反向击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度的降低而增大。,2） 齐纳击穿 当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。这时只要加上不大的反向电压（如4 V以下），阻挡层就可能获得2106 V/cm以上的电场强度， 该场强足以直接破坏共价键

23、，把价电子从共价键中拉出来，从而获得大量的电子-空穴对，引起PN结中的反向电流急剧增大，这种反向击穿现象称为齐纳击穿。齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的增高而减小。 通常情况下，反向击穿电压在7 V以上属于雪崩击穿，4V以下属于齐纳击穿，在47 V之间的击穿则两种情况都有。无论哪种击穿， 只要PN结不因电流过大而产生过热损坏，当反向电压降到击穿电压以下（均指绝对值）时，其性能又可恢复到击穿前的情况。,4 PN结的温度特性 由式（1-2）可知，PN结电流的大小与UT和IS有关，而UT和IS均为温度的函数，所以PN结的伏安特性与温度有关。 实验证明，在室温下，温度每升高1，在同一正向电流

24、下， PN结正向压降减小22.5 mV；温度每升高10，反向饱和电流大约增加 1 倍。所以当温度升高时，PN结的正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。 此外, PN结的反向击穿特性也与温度有关。理论分析表明， 雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数；齐纳击穿电压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。,5 PN结的电容特性 实践证明，PN结的单向导电性仅在直流或外加电压变化非常缓慢的情况下才是正确的。当外加电压变化很快时， PN结的单向导电性就不完全成立， 其主要原因是PN结的电容效应。 什么是电容效应呢？电容器可看成是一个存储电荷的容器， 当电容器两端加上电压时，电容器内将产生电荷的堆积，随着外加电压的变化，堆积的电荷也随之变化。因此，可以把电路中出现的任何一种电荷堆积现象都看成为电容效应。在PN结内部由于载流子运动所产生的电容效应主要有势垒电容和扩散电容。,1） 势垒电容Cb 从前面的讨论可知，PN结实际上就是一个空间电荷区，空间电荷区中不能移动的正、负离子相当于PN结所储存的电荷量。 当PN结外加正向电压时，空间电荷区变窄，电荷量变小；当PN结外加反