第一章常用半导体器件-(2).pptx

第一章常用半导体器件

1.1半导体的基本知识

1.2半导体二极管

1.3双极型晶体管

1.4场效应管

有关半导体的基本概念

●本征半导体、杂质半导体

●施主杂质、受主杂质

·N型半导体、P型半导体

·自由电子、空穴

·多数载流子、少数载流子

§1.1半导体基础知识

自然界的物质按其导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三类。常用的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。

半导体器件是构成电子电路的基本元件，它们所用的材料是

经过特殊加工且性能可控的半导体材料。单纯从导电性

能来看，半导体既不能很好地传导电流，又不能可靠地隔绝电流。主要是半导体具有下列的重要特性：

(1)热敏特性

(2)光敏特性

(3)掺杂特性

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2.14×10⁵Q·cm,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0.2Ω·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PN结是各种半导体器件的主要组成部分。

1.本征半导体

本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子(价电子)都是四个。

硅原子锗原子

图1-1硅和锗的原子结构模型

(a)硅；(b)锗；

(c)原子简化模型

共价键共

用电子对

+14

(a)

+4表示除

价电子外的正离子

+32

(b)

+4

+4

本征硅和锗的共价键结构

(c)

+4

+4

惯性核

价电子

十4)

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。

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，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性能很差，且与环境温度密切相关。半导体材料性能对温度的敏感性，可以制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。

本征激发半导体在热激下产

生自由电子-空穴对的现象。

复合——自由电子填补空穴而使两者同时消失的现象。

空穴共价键中的空位。

空穴的移动空穴的运动是靠

相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。空穴的定向移动形成空穴电流。本征半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和，

(而导体只有自由电子导电)。

图1.1.2电子-空穴对的产生和空穴的移动

本征半导体中的两种载流子：自由电子和空穴

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，这种状态称为动态平衡状态(热平衡)。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)n和p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

n=P=KT³2es(2k¹

式中：

n;:自由电子的浓度；

Pi:空穴的浓度；

k:波尔兹曼常数；

T:热力学温度；EGo:禁带宽度；

K₁:与半导体材料载流子有效质量，有效能级有关的常数。应当指出，本征半导体的导电性能很差。

例如，T=300K时，n,=P,=1.43×10¹⁰cm³

且材料导电性能与温度密切相关，可制作热敏和光敏器件，因此，半导体器件的温度稳定性均较差。

2.杂质半导体

在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可使半导体的导电性能发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半

导体。

N型半导体—掺入五价杂质元素(如磷)的半导体。(主要载流子为电子、电子半导体)

P型半导体—掺入三价杂质元素(如硼)的半导体。

(