常用半导体基础知识

杂质半导体载流子浓度
• 有杂质电离和本征激发两个产生载流子的过程。 • 根据半导体物理理论，少量掺杂时，在产生载流子与载流子复合达到动态
平衡条件下，多数载流子与少子浓度的乘积等于同一温度时的本征载流子 浓度的平方。
杂质半导体的载流子浓度
no po ni 2
no 热平衡条件下自由电子的浓度
po 热平衡条件下空穴的浓度
硅单晶材料
2、本征半导体的结构
• 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个 电子称为价电子。根据化学的知识可以知道，最 外层的价电子受原子核的束缚力最小，容易脱离 原子核的束缚而成为自由电子。在半导体晶体中， 一个原子最外层的价电子分别与周围的四个原子 的价电子形成共价键。
半导体的原子结构为金刚 石结构：每个原子都处在正 四面体的中心，而四个其它 原子位于四面体的顶点。
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，只有在外电场强到相当程度时才可能导 电。
导 体： 电阻率ρ < 10-4 Ω·cm 绝缘体：电阻率ρ > 109 Ω·cm 半导体：电阻率ρ介于前两者之间。
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。
本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
砷化镓(GaAs) 属于半导体化合物。
• 半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态， 制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半 导体材料是由一个晶体组成的。制造半导体器件 的半导体材料纯度要求很高，要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N型半导体
多数载流子浓度=杂质浓度+热激发少子浓度
估算
• 在室温下，Si的本征浓度ni= 1.48×1010/cm3 Si的原子密度NSi = 5×1022/cm3,若掺入百万分之一浓度的P原子形成N型半导体， 估算一下杂质半导体中的多子和少子的浓度是多少？
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、 铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
N型半导体
在N型半导体中自由电子
是多数载流子，它主要由杂
质原子提供；空穴是少数载
流子，由热激发形成。提供
Si
自由电子的五价杂质原子因
P
失去了这个价电子而带正电
荷，成为正离子，因此五价
杂质原子也称为施主杂质。
本征硅或锗 + 少量磷 N型半导体
ni pi BT 2e 2kT
（1.1）
式中ni、pi分别表示电子和空穴的浓度(cm-3),T为热力学温 度(K),k为波尔兹曼常数(8.63×10-5eV/K),Eg为T=0K时 破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度(eV),B是与半导体 材料有关的常数(cm-3K-3/2)。
二 杂质半导体
• 杂质半导体
多余电子
Si Si
施主杂质
P型半导体
P型半导体中空穴是多数 载流子，其数量主要由掺 杂的浓度确定；电子是少 数载流子，由热激发形成。 三价杂质也称为受主杂质。
空穴
Si
Si
B
Si
本征硅或锗 +少量硼 P型半导体
受主杂质
• 判断下面是属于何种半导体？
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
2、本征半导体的结构
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子(本征激发,热 激发）
自由电子的游离使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
p
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
p
Si
Si
Si
Si
Si
+Leabharlann SiSiSi
B
Si
B
Si
Si
+
Si
Si Si
Si
载流子的浓度问题
• 对于本征半导体，由于存在本征激发（热激发）和复合，在动态平衡下载 流子的浓度趋于稳定值n=p=ni，也称为本征载流子浓度。
• 想一想，ni 是如何计算的？
第一章 常用半导体器件
第一章 常用半导体器件
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管 §1.4 场效应管
§1 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
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素，可使半导 体的导电性发生显著变化。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。要注 意，这里的杂质半导体是在提纯的本征半导体中掺入一 定浓度的三价或五价元素而得到的，不是普通意义上的 含有多种任意杂质的半导体。
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷， 可形成N型半导体，也称电子型半导体。
本征浓度
• 载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇， 使自由电子空穴对消失的现象。
• 载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间 内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与 复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就 达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体 中载流子的浓度一定。
本征载流子的浓度
3 Eg
ni 本征浓度
思考？
• 本征半导体的热激发效率是很低的，所以本 征载流子浓度远远小于本征半导体的原子浓 度。 • 若掺入很小比例的施主杂质，在室温下，可 认为每个施主原子在半导体中产生一个多数 载流子，这样，即使施主原子的浓度远小于 本征半导体的原子浓度，但仍然远大于本征 载流子的浓度。 • 这时，本征激发产生的多数载流子虽然有，
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 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， 故本征半导体导电性很差。
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。
两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？