电子技术基础-10半导体器件基础知识

半导体器件基础知识赤壁市机电信息技术学校杨展email:[e-mail]目录『contents』1导体、半导体、绝缘体32本征半导体3掺杂半导体2110一、导体、半导体和绝缘体31.物质分类根据物质导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体：ρ10－6Ω·m绝缘体：ρ108Ω·m半导体：10－6Ω·mρ108Ω·m一、导体、半导体和绝缘体41.物质分类导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。一、导体、半导体和绝缘体52.物质导电能力有差异的内因绕原子核高速旋转的核外电子带负电。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。正电荷负电荷=原子结构中：原子核＋原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。一、导体、半导体和绝缘体62.物质导电能力有差异的内因导体的最外层电子数通常是1-3个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子会获得一定能量，挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。原子核＋导体的特点：内部含有大量的自由电子一、导体、半导体和绝缘体72.物质导电能力有差异的内因绝缘体的最外层电子数一般为6-8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。原子核＋绝缘体的特点：内部几乎没有自由电子，因此不导电。一、导体、半导体和绝缘体82.物质导电能力有差异的内因半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。半导体的特点：虽然导电性能介于导体和绝缘体之间，但是具有其独特的性能。原子核＋一、导体、半导体和绝缘体93.半导体的特性(1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)掺杂性：导电能力受杂质影响极大，杂质浓度越高导电能力越强，称为掺杂性。二、本征半导体10++Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图Si+4Ge+4因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。最常用的半导体为硅(Si)（原子序数14）和锗(Ge)（原子序数32），它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。1.硅和锗的原子简化模型二、本征半导体11本征半导体——不含任何杂质晶格结构完整的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“99纯度”。2.本征半导体二、本征半导体123.硅晶体结构图二、本征半导体13+4价电子+4二、本征半导体144.本征半导体的共价键结构把硅和锗材料制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电子成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上，即价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原子核的吸引。于是，相邻的原子共有一对价电子，组成共价键结构。每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成四对电子对。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4实际上半导体的晶格结构是三维的。晶格结构共价键结构二、本征半导体4.本征半导体的共价键结构在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+415二、本征半导体5.本征半导体中的本征激发＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。由于共价键的束缚作用，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。＋＋16二、本征半导体6.本征半导体中的自由电子-空穴对复合＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。此时整个晶体带电吗？为什么？17二、本征半导体7.本征半导体的导电机制自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。自由电子运动方向：D—C—B--A。空穴运动方向：A—B—C—D二者运动方向相反18二、本征半导体7.本征半导体的导电机制自由电子：带负电荷，逆电场运动，形成电子流载流子空穴：带正电荷，顺电场运动，形成空穴流因为二者都是携带电荷的粒子，所以统称为载流子。半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。19二、本征半导体本征激发的几点说明：1.空穴与电子是成对出现的，称为电子—空穴对。其自由电子和空穴数目总是相等的。所以整块晶体仍然呈电中性。2.温度越高，光照能量越强，产生的电子—空穴对数目就越多，这就是半导体的热敏性和光敏性。3.在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。4.本征半导体的导电性能很差，而且和环境温度光照密切相关，因此导电性能很不稳定。5.空穴只是价电子跳出共价键之后留下的空位，并不是实粒子。只在半导体中存在。20三、掺杂半导体本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。掺杂半导体{N型半导体：掺入五价元素后形成的半导体，自由电子浓度大大升高。主要靠自由电子导电。P型半导体：掺入三价元素后形成的半导体，空穴浓度大大升高。主要靠空穴导电。一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。21三、掺杂半导体1.N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），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。22三、掺杂半导体1.N型半导体+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。掺入五价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。在P型半导体中，不能移动的离子带正电。2324多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对三、掺杂半导体1.N型半导体1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.由于热激发仍成对产生电子和空穴。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）。24三、掺杂半导体2.P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），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。这个空穴可以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。25三、掺杂半导体2.P型半导体＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。在P型半导体中，不能移动的离子带负电。－26三、掺杂半导体2.P型半导体空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对1.由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同。2.由于热激发仍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，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。27三、掺杂半导体3.掺杂半导体的几点说明1.对于杂质半导体，多子的浓度越高，少子的浓度就越低。2.多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，故受温度变化的影响很小；少子由本征激发而成，尽管其浓度很低，但温度变化时，其浓度的变化很大，其浓度主要取决于温度。故少子对器件性能的影响却不“少”。3.N型：自由电子数目=空穴数目+正离子数目P型：空穴数目=自由电子数目+负离子数目4.杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度，因为每掺入一个杂质原子就可以增加一个多数载流子。5.掺杂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。整个半导体晶体仍然呈电中性。28三、掺杂半导体4.载流子的漂移运动和扩散运动29高浓度低浓度载流子由于两侧浓度差异而产生的运动由于分子等的热运动而产生的物质迁移现象。通常是由浓度差所引起的，从浓度较高的区域向较低的区域进行扩散，直到浓度达到均匀为止扩散运动三、掺杂半导体4.载流子的漂移运动和扩散运动30+++－－－－+E空穴自由电子载流子在电场作用下产生的运动漂移运动在外电场作用下，带正电荷的粒子向负电极方向运动，带负电荷的粒子向正电极方向运动的现象三、掺杂半导体4.载流子的漂移运动和扩散运动自由电子逆电场方向运动空穴顺电场方向运动1.外加电场作用下载流子的定向（顺/逆电场方向）移动——漂移运动，形成漂移电流2.载流子基于浓度差异和随机热运动速度的移动——扩散，形成扩散电流自由电子和空穴向浓度低的地方扩散31THANKSFORYOURLINSTENING!谢谢您的聆听！