第2章 半导体器件基础概论

第二章 半导体器件基础
2.1.4 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 能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，因此 也称为受主原子。
计算机电路基础
SSPU
第二章 半导体器件基础
第二章 半导体器件基础
学习要点
❖ PN结的形成和单向导电性 ❖ 二极管的伏安特性 ❖ 半导体三极管的基本结构、工作原理 ❖ 三极管的伏安特性 ❖ MOS场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线 ❖ 结型场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线
第二章 半导体器件基础
硅和锗的 晶体结构
第二章 半导体器件基础
共价键结构、自由电子、空穴
硅和锗的共价键结构
+4表示 除去价电 子后的原
子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
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。
第二章 半导体器件基础
共价键结构、自由电子、空穴
常用于检测温度的变化。 对其他工作性能有不利的影响。
2. 光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻率则
显著下降。 利用这个特性可以制成光敏元件。
3. 杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛增几
万倍至百万倍。
利用这个特性可以制造出具有不同性能用途的半 导体器件。
第二章 半导体器件基础
2.1.2 本征半导体 一、本征半导体的结构特点
第2章 半导体器件基础
2.1 半导体基础知识 2.2 PN结与半导体二极管 2.3 半导体三极管 2.4 场效应管 退出
第二章 半导体器件基础
2.1 半导体基础知识
2.1.1 半导体及其特点 2.1.2 本征半导体 2.1.3 N型半导体 2.1.4 P型半导体 退出
第二章 半导体器件基础
2.1.1 半导体及其特点
❖ 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自 由电子和空穴。空穴带正电，运动相当于正电荷 的运动。
第二章 半导体器件基础
本征半导体的导电机理

+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。
第二章 半导体器件基础
杂质原子提供的多 余电子
杂质原子失去一个 电子成为正离子
N型半导体的共价键结构
第二章 半导体器件基础
N 型半导体中的载流子是什么？
因为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）。
第二章 半导体器件基础
2.2 PN结与半导体二极管
2.2.1 PN结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性 2.2.3 PN结电容 2.2.4 二极管的基本结构 2.2.5 二极管的伏安特性 2.2.6 二极管的主要参数 2.2.7 二极管的等效电路及应用 2.2.8 特种二极管
第二章 半导体器件基础
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。
Ge
Si
通过一定的工艺可以将半导体制成晶体。
第二章 半导体器件基础
本征半导体
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体
点阵，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，每个原子与其相临的原 子之间形成共价键，共用一对价电子。
❖ 载流子的漂移运动和扩散运动。 ❖ 漂移运动：
在电场力的作用下，半导体中的载流子产生 定向运动。形成的电流叫漂移电流。电场越强， 载流子漂移速度越高；载流子的浓度越大，参与 漂移运动的载流子数目越多，漂移电流就越大。 ❖ 扩散运动：
❖ 根据加入的杂质不同可以分为N型半导体和P型半 导体。
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2.1.3 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，因此也称为施主原子。
共价键
共有价电子所形 成的束缚作用
由于热激发而 产生的自由电子
自由电子移走后 而留下的空穴
第二章 半导体器件基础
❖ 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能力很弱。
❖ 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够 的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同 时共价键上留下一个空位，称为空穴。
第二章 半导体器件基础
❖ 本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，是 影响半导体导电性能的重要因素。
❖ 在本征半导体中有电子和空穴2种载流子，而金属 导体中只有电子一种载流子，但在本征半导体中 载流子的浓度远远低于后者，所以导电能力不如 金属。
第二章 半导体器件基础
❖ 杂质半导体：在纯净的半导体单晶体中有选择地 掺入微量杂质元素，并控制掺入的杂质元素 的种 类和数量。 杂质可以提高半导体的导电能力，并可以精准的 控制半导体的导电能力。
导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
第二章 半导体器件基础
硅、锗等半导体材料之所以得到广泛的应用，主要 是因为它们的导电能力具有一些特殊的方面。 1. 热敏性：半导体的电阻率随温度升高而显著减小。
第二章 半导体器件基础
邻近电子只空位留 下可移动空穴 可移动的空穴 杂质原电子接受一 个电子成为负离子
P型半导体的共价键结构
第二章 半导体器件基础
P 型半导体中的载流子是什么？
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 杂质型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。 近似认为多子与杂质浓度相等。