半导体基础知识

第二讲半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应上一页下一页章目录一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。无杂质稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？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。上一页下一页章目录半导体的共价键结构硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。硅原子和锗原子的结构GeSi+4半导体的导电性能是由其原子结构决定的。为方便起见，常表示如下：上一页下一页章目录半导体的共价键结构图+4+4+4+4共价键共用电子对共价键正离子核上一页下一页章目录2.本征半导体定义：纯净的、不含其他杂质的半导体。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚其中，不能成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。+4+4+4+4T=0K时本征半导体结构图：上一页下一页章目录温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4自由电子空穴上一页下一页章目录温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4这一现象称为本征激发，也称热激发。所谓本征激发，就是由于随机热振动致使共价键被打破而产生电子—空穴对的过程。电子空穴对上一页下一页章目录温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4电子空穴对复合：与本征激发现象相反，即自由电子遇到空穴并填补空穴，从而使两者同时消失的现象。在一定温度下，本征激发与复合这二者产生的电子－空穴对数目相等，达到一种动态平衡。上一页下一页章目录温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4电子空穴对注意：在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，故在任何时候，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。上一页下一页章目录E＋－自由电子——带负电荷，形成电子流两种载流子空穴,视为带正电荷，形成空穴流本征半导体的导电机制+4+4+4+4自由电子空穴本征半导体中产生电流的根本原因：共价键中空穴的出现。空穴越多，载流子数目就越多，形成的电流就越大。上一页下一页章目录E＋－本征半导体的导电机制+4+4+4+4自由电子空穴本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。上一页下一页章目录载流子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？2、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。上一页下一页章目录上一页下一页章目录二、杂质半导体1.N型半导体5磷（P）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。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？上一页下一页章目录上一页下一页章目录2.P型半导体3硼（B）多数载流子P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？上一页下一页章目录上一页下一页章目录杂质半导体的示意表示方法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体负离子空穴正离子自由电子注意：半导体中的正负电荷数是相等的，其作用相互抵消，因此对外保持电中性。上一页下一页章目录三、PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。上一页下一页章目录1.PN结的形成因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。上一页下一页章目录NP结PN随着扩散运动的进行，在界面N区的一侧，随着电子向P区的扩散，杂质变成正离子；在界面P区的一侧，随着空穴向N区的扩散，杂质变成负离子。所以在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；在P型区一侧会形成负离子薄层。内电场上一页下一页章目录扩散电流漂移电流NP结PN内电场漂移电流在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动。上一页下一页章目录上一页下一页章目录PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。2.PN结的单向导电性上一页下一页章目录PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结的单向导电性上一页下一页章目录PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－外电场P区N区多子空穴多子电子VF空间电荷区内电场扩散运动2.PN结的单向导电性上一页下一页章目录PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区多子空穴多子电子VF变薄上一页下一页章目录PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++变薄＋－内电场外电场P区N区多子空穴多子电子IFVF正向电流I：扩散电流上一页下一页章目录PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++变薄＋－内电场外电场P区N区IFVFI：扩散电流内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流I。小结上一页下一页章目录上一页下一页章目录PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++空间电荷区＋－内电场外电场P区N区少子电子少子空穴VR漂移运动上一页下一页章目录PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区VR变厚IRI：漂移电流反向电流温度一定时，反向电流IR趋于恒定值，称为反向饱和电流IS。上一页下一页章目录PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区VR变厚IRI：漂移电流小结内电场被加强，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IR。上一页下一页章目录上一页下一页章目录归纳：PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。在于它的耗尽层的存在，且其宽度随外加电压而变化。关键这就是PN结的单向导电性。上一页下一页章目录四、PN结的电容效应PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：end