清华大学模电课件第一章.ppt

* 第一章 集成电路元器件基础 第一节 半导体基础知识 一、固体按导电性能可分为三类： 导体： 绝缘体： 半导体： 如：金、银、铜、铝等 如：云母、陶瓷等 如：硅Si、锗Ge、砷化镍GaAs等 一、半导体的特性： 杂质、温度、光照对ρ影响较大 定义：没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体 （一）本征半导体的共价键结构 1、Si、Ge原子结构模型 +14 Si +32 Ge +4 价电子 惯性核 三、本征半导体 2、共价键结构 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 3、本征激发 +4 导带 价带 Eg禁带 导带 价带 Eg禁带 导带 价带 Eg禁带 自由电子 空穴 空穴带单位正电荷 自由电子位带单位负电荷 空穴带单位正电荷 自由电子位带单位负电荷 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴带单位正电荷 自由电子位带单位负电荷 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴带单位正电荷 自由电子位带单位负电荷 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴带单位正电荷 自由电子位带单位负电荷 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴带单位正电荷 自由电子位带单位负电荷 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴也是一种载流子 自由电子 空穴 两种载流子 在外电场作用下电子空穴运动方向相反 T=300K（室温)时 Eg(Si)=1.12eV Eg(Ge)=0.72eV Eg一般与半导体材料和温度T有关 T=0K（-273.16oC)时 Eg0(Si)=1.21eV Eg0(Ge)=0.785eV 导带 价带 Eg禁带 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 1 .T=0K且无外界能量激发时Eg0较大，价电子全部束缚在共价键中，导带无自由电子。此时的本征半导体相当于绝缘体 当T (or光照) 价电子获得能量 导带 价带 Eg禁带 跃迁导带 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 位于导带--- 位于价带--- 自由电子和空穴成对出现 2、本征激发 3、本征载流子 (1)本征激发 自由电子 空穴 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 本征激发产生自由电子和空穴 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 复合 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 复合 3、本征载流子 (1)本征激发 自由电子 空穴 (2) 空穴 自由电子 随机碰撞 复合 空穴消失 自由电子 (3) 本征激发 复合 本征半导体中的自由电子浓度ni空穴浓度pi总是相等的 温度 ni pi 导电能力 可制作热敏元件 影响半导体器件的稳定性 光照 ni pi 导电能力 可制作光电元件 定义：人为掺入一定杂质成份的半导体称杂质半导体 四、杂质半导体 N型半导体（掺入5价元素杂质） P型半导体（掺入3价元素杂质） 分类 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +4 在本征半导体中掺入5价的杂质（砷、磷、锑）就成为N型半导体 杂质原子提供多余电子称为施主杂质----正离子 多余电子位于施主能级在室温下进入导带成为自由电子 导带 价带 Eg禁带 施主能级 导带 价带 Eg禁带 （一）N型半导体 N型半导体的特点 1、施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格中不能移动，不能起导电作用 +4 +4 +4 +4 +4 +5 2、在室温下，多余的电子全部被激发为自由电子，故N型半导体中自由电子数目很高，ni大，主要靠电子导电，故称为电子半导体。 3、在N型半导体中，同样存在本征激发，产生电子空穴对，但数目很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。 在N型半导体中，自由电子是多数载流子（多子）空穴对是少数载流子（少子） 。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 在本征半导体中掺入3价的杂质（B硼）就成为P型半导体 杂质原子接受电子称为受主杂质----负离子 受主原子位于受主能级在室温下产生空位（位于价带） 受主能级 （二）P型半导体 导带 价带 Eg禁带 导带 价带 Eg禁带 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 1、受主原子接受电子在价带中产生一个空穴，但并不在导带中产生电子，而在晶格中留下一个负离子。负离子不能自由移动，不起导电作用。 P型半导体的特点 在P型半导体中，空穴是多数载流子（多子）自由电子对是少数载流子（少子） 。 +4 +4 +4 +4 +4 +3 2、在室温下，3价受主原子产生的空穴全部可被被激发为价带中的空穴，故P型半导体中空穴数目很高，Pi大，主要靠空穴，故称为空穴半导体。 3、在P型半导体中，同样存在本