半导体基本知识

§1.1半导体基本知识11.1.1导体、半导体和绝缘体一、导体自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。二、绝缘体有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。三、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，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。2半导体的导电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。——热敏性和光敏性•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。——杂敏性31.1.2本征半导体一、本征半导体结构GeSi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(原子序数14)和锗(32)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。简化模型+4表示除去价电子后的原子4硅和锗的共价键结构：共价键共用电子对+4+4+4+4每个原子与其相邻的原子之间形成共价键——即相邻原子共用一对价电子。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。5因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子。6二、本征激发在绝对0度（T=0K）(-273C0）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子-自由运动的带电粒子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下（T=300K）(27C0）或光照下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴，这种现象称为本征激发。1.载流子、自由电子和空穴7+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子82.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。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。9温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这也是半导体的一大特点。本征半导体有两种载流子参与导电，这是半导体区别金属导体的一个重要特性。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。问题：金属中的载流子是什么？光照越强，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，101.1.3杂质半导体在本征半导体中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。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）positive。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）negative。11一、N型半导体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，称为施主原子。12在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素,例如磷、砷、+4+4+5+4多余电子磷原子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.本征半导体中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）。13二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼、镓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。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1415杂质半导体的示意表示法：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型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。16小结1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。注意，Ｎ型和Ｐ型半导体，都不是带电体，对外不显电性。17一、PN结（PNJunction）的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处就形成了PN结。1.1.4PN结18P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区变宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。（一）多子扩散（二）少子漂移19－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。201.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴和N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.空间电荷区中内电场有利于P区中的电子和N区中的空穴（都是少子）向对方运动（漂移运动），少子数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:21二、PN结的单向导电性PN结加上正向电压（正向偏置）的意思都是：P区接电源的正端、N区接电源的负端。或P区接高电位、N区接低电位PN结加上反向电压（反向偏置）的意思都是：P区加负、N区加正电压。22－－－－++++RE（一）PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。2324注意电流方向：（二）PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE－－－－++++2526注意电流方向在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。归纳：——PN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。27可见：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。28