第2章 半导体物理与器件基础

微电子技术概论全国高等职业教育规划教材孟祥忠主编第2章半导体物理与器件基础1)描述原子，包括价电子层、能带理论。2)说明三类材料导电性能差异的原因。3)描述硅材料的相关参量。4)解释掺杂并讨论三价和五价掺杂元素如何使硅成为一种有用的半导体材料。5)讨论P型硅和N型硅之间的差异，描述硅的电阻率怎样随掺杂的变化而变化，并解释PN结的形成。第2章半导体物理与器件基础2.1半导体的特性2.2半导体中的载流子2.3PN结2.4双极型晶体管2.5MOS场效应晶体管2.1半导体的特性2.1.1半导体材料表2-1材料的分类及其电导率1)在纯净的半导体材料中，电导率随着温度的上升而呈指数增加，所以半导体对外界热刺激敏感，利用这种热敏效应可以制成热敏器件。2)半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，在纯净的半导体中掺入百万分之一的杂质，就可以将半导体的电导率增加几百倍。3)光的照射、高能电子等的注入可以影响半导体的电导率，所以利用光电效应就可以制成光敏电阻、光敏晶体管等。2.1半导体的特性2.1.2半导体的晶格结构图2-1晶体三种类型示意图2.1半导体的特性图2-2三种晶格结构2.1半导体的特性图2-3金刚石晶格结构2.1半导体的特性图2-4基本单元2.1半导体的特性表2-2硅、锗的基本物理参数2.1半导体的特性图2-5GaAs的铅锌矿晶格结构2.1半导体的特性图2-6三种晶面及对应的硅晶面原子排列2.1半导体的特性图2-7电子共有化运动导致的晶体能带结构2.1.3半导体能带结构2.1半导体的特性图2-8电子填充能带的基本情况2.1半导体的特性图2-9绝缘体、半导体、金属的能带结构图2.1半导体的特性图2-10半导体导电机制的原理图2.1.4半导体的导电性2.1半导体的特性迁移率表2-3常温时高纯度的硅、锗、砷化镓材料中电子()和空穴()的迁移率2.2半导体中的载流子2.2.1本征半导体2.2.2杂质半导体图2-11间隙杂质和替位杂质2.2半导体中的载流子图2-12掺有一个磷原子的硅晶格的示意图2.2半导体中的载流子图2-13施主能级和施主电离能带图2.2半导体中的载流子图2-14掺有一个硼原子的硅晶格的示意图2.2半导体中的载流子图2-15受主能级及受主电离能带图2.2.3半导体中载流子的统计分布2.2半导体中的载流子图2-16不同温度下的费米概率函数()2.2半导体中的载流子图2-17费米能级在半导体能带图中的位置图2-18材料A和材料B热平衡前的能带图2.2半导体中的载流子图2-19材料A和材料B热平衡后的能带图2.3PN结图2-20平衡PN结基本结构示意图(实点表示电子，空圈表示空穴)2.3PN结图2-21PN结形成前后的能带图2.3.1平衡状态下的PN结2.3PN结图2-22对PN结施加偏置电压示意图2.3.2PN结的单向导电性2.3PN结图2-23硅二极管PN结的伏-安特性曲线2.3.3PN结的伏-安特性2.3PN结图2-24PN结的击穿2.3.4PN结的击穿2.3PN结图2-25雪崩击穿图2.3PN结图2-26PN结加反向偏压时的能带2.3PN结1)隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场；而在碰撞电离机构中，载流子能量的增加需要一个加速过程，空间电荷区越宽，倍增次数越多，因此雪崩击穿除与电场有关外，还与空间电荷区宽度有关。2)雪崩击穿是碰撞电离的结果，如果用光照等其他办法，增加空间电荷区的电子和空穴，它们同样会有倍增效应，而上述外界作用对于隧道击穿则不会有明显的影响。3)对于隧道击穿，由于温度升高，禁带宽度减小，使隧道宽度d减小，于是隧道击穿的击穿电压随温度的升高而减小，即隧道击穿电压的温度系数是负的。2.3PN结图2-27PN结的等效电路2.3.6异质PN结2.3.5PN结电容2.4双极型晶体管2.4.1双极型晶体管的基本结构图2-28双极型晶体管的基本结构2.4双极型晶体管图2-29晶体管的两种基本结构示意图2.4双极型晶体管图2-30双极型晶体管工艺结构剖面图2.4双极型晶体管图2-31NPN型晶体管电流传输和转换示意图(一)2.4.2双极型晶体管的直流放大原理2.4双极型晶体管图2-32NPN型晶体管电流传输和转换的示意图(二)2.4双极型晶体管图2-33晶体管直流输入特性曲线2.4.3双极型晶体管的直流特性2.4双极型晶体管图2-34晶体管直流输出特性曲线2.4.4双极型晶体管的反向电流和击穿电压2.4双极型晶体管2.4.5双极型晶体管的频率特性图2-35电流放大系数的频率特性2.4双极型晶体管1)α截止频率：α的定义为共发射极放大电路电流放大系数减小到低频值的1/时所对应的频率，即α=0/≈0.7070所对应的频率。2)β截止频率：β的定义为共发射极放大电路电流放大系数减小到低频值的1/时所对应的频率，即β=β0/≈0.707β0时所对应的频率。3)特征频率T：β的数值并不能完全反映晶体管在共发射极运用时电流能够放大的频率上限，因为当工作频率等于β时，β值还可能相当大。4)最高振荡频率M：一般地，由于晶体管的输出阻抗比输入阻抗大，在工作频率等于T时，虽然没有电流放大作用(β=1)，但还可能有电压放大作用，这说明在频率等于T时，仍然可能有功率放大作用(功率增益)。2.5MOS场效应晶体管2.5.1MOS场效应晶体管的基本结构图2-36MOS场效应晶体管的剖面结构2.5MOS场效应晶体管图2-37MOS场效应晶体管耗尽层2.5.2MOS场效应晶体管的工作原理2.5MOS场效应晶体管图2-38MOS场效应晶体管反型层2.5MOS场效应晶体管图2-392.5MOS场效应晶体管图2-40MOS场效应晶体管直流特性2.5.3MOS场效应晶体管的直流特性曲线习题二•2-1半导体、绝缘体、导体的区别是什么？•2-2半导体的能带结构是什么？•2-3简述PN结的形成过程。•2-4半导体中有哪些载流子，其特征是什么？•2-5双极型晶体管的结构是什么？