模拟电路基础课件：1-半导体基础知识(新)

一般采用高温扩散工艺进行掺杂 N型半导体(N-type semiconductor)
—— 掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。
P型半导体(P-type semiconductor) —— 掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。
1. N 型半导体(Negative 负）
在本征半导体中掺入少量的五价元素（如磷）
1. 本征半导体的原子结构和共价键
+4
+4
+4
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。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
共价键内的电子 称为束缚电子
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
在绝对0度（T=0K）和没 有外界激发时,价电子完全 被共价键束缚着，本征半导 体中没有可以运动的带电粒 子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
本征浓度(ni): 平衡状态下，本征半导体单位体积内的 自由电子数（空穴数）。它是温度的敏 感函数。
3. 本征浓度
平衡状态下本征半导体单位体积内自由电子数（或空穴数）
3
EG
式中： ni pi B T 2 e 2kT
ni ：自由电子的浓度 pi ：空穴的浓度
B ：系数 T ：绝对温度
k ：波尔兹曼常数
N型半导体
+4
+45
+4
+4
+4
+4
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（常温下几乎完全电离）， 这样磷原子就成了不能移动的带正电 的离子。这一现象称为“施主电离”。 磷原子称为施主原子。
施主电离：
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的 导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外 部因素，这是半导体的一大特点。
3. 本征浓度
载流子的复合: 自由电子与空穴在热运动中相遇，使 一对自由电子和空穴消失的现象称为 载流子复合。
动态平衡:
复合是产生的相反过程，当产生等于 复合时，称载流子处于平衡状态。
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
1.1 半导体基础知识
一. 半导体的定义与基本特性
根据材料导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝
外电场作用下空穴导电过程：
两种载流子（动画）
由此可以看出：
1. 本征半导体中有两种载流子 —— 自由电子和空穴 它们是成对出现的
2.在外电场的作用下，产生电流 ——电子流和空穴流 电子流： 自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 空穴流： 价电子递补空穴形成的
与外电场方向相同 3.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
+4
+ +++++
+4
+45
+4
+ +++++ + +++++
2. P 型半导体（ Positive 正）
在本征半导体中掺入少量的三价元素（如硼）
P 型半导体。
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
一个空位。价电子因热运动很容易来
高温掺杂
晶体管
I
半导体
V
mA
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
§1.1.1 本征半导体
纯净的且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。 纯度：大于99.9999%，“六个9”
硅和锗的晶体结构：
硅和锗的晶体结构取决于 原子结构。硅和锗的原子结构 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。
2.半导体的光敏性( light sensitive)
当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的光
敏二极管可以用于光敏控制。
T
光照
电导率 s
T 1. 5 光照度
I 半导体
V
mA
3.半导体的掺杂性 (Doping impuritive)
在半导体中掺入一定浓度的杂质后，可改变半导体的 导电类型，导电能力也会大幅度增加，利用这种特性可 以制造出不同用途的半导体晶体管与集成电路。
2. 本征激发
挣脱共价键的束缚 成为自由电子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
留下的空位称为空穴
随着温度升高，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，这一现象称为本征激 发。
本征半导体中存在数 量相等的两种载流子
自由电子
空穴
+4
+45
+4
产生自由电子和正离子对 本征激发：
产生自由电子和空穴对
1. N 型半导体(Negative 负）
施主电离 本征激发
+4
+45
+4
+4
自由电子和正离子
自由电子和空穴 载流子
自由电子 ——多数载流子
（多子）
空穴 —— 少数载流子
（少子）
空穴比未加杂质时的数目
+4
多了？少了？为什么？
电荷模型：
Ⅴ族化合物半导体[砷化镓(GaAs)等]。
• 半导体材料 Si： +14 2 8 4
Ge： +32 2 8 18 4
最外层电子（价电子）都是四个 价电子
Si
Ge惯性核表示：源自+4惯性核：除价电子外的 内层稳定结构
二. 半导体三大基本特性
1.半导体的热敏性(temperature sensitive) 环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强，制成 的热敏电阻可以用于温度控制。
EG ：价电子挣脱共价键所需能量, 又叫禁带宽度
（1）相同温度下，Ge的ni>>Si的ni （2）常温下本征浓度远小于原子密度。
因此本征半导体的导电能力很弱。
§1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，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。 (impurity semiconductor)
缘体和半导体。 导 体： 电阻率 < 10-4 Ω·cm，如铁、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：电阻率 > 109 Ω·cm，如惰性气体、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。
半导体：电阻率 介于前两者之间。 典型的半导体有单质半导体[硅(Si)和锗(Ge)]以及Ⅲ-