Chap半導體及其基本特性實用PPT課件

1、1、半導體及其基本特征2、半導體中的載流子3、pn結4、雙極晶體管5、MOS場效應晶體管第1頁/共32頁導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體導體：導體：自然界中很容易導電的物質稱為自然界中很容易導電的物質稱為導體導體，金屬，金屬一般都是導體。一般都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。

2、1、半導體及其基本特征、半導體及其基本特征第2頁/共32頁固體材料：超導體固體材料：超導體: 大于大于106( cm)-1 導導 體體: 106104( cm)-1 半導體半導體: 10410-10( cm)-1 絕緣體絕緣體: 小于小于10-10( cm)-1什么是半導體？什么是半導體？第3頁/共32頁第4頁/共32頁 半導體半導體的導電機理不同于其它物質，所以它的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點：具有不同于其它物質的特點：1 1、在純凈的半導體材料中，電導率隨溫度的上升而指數(shù)增加；2 2、半導體中雜質的種類和數(shù)量決定著半導體的電導率，而且在重摻雜情況，溫度對電導率的影

3、響較弱；3 3、在半導體中可以實現(xiàn)非均勻摻雜；4 4、光的輻照、高能電子等的注入可以影響半導體的電導率。第5頁/共32頁2. 半導體中的載流子：能夠導電的自由粒子半導體中的載流子：能夠導電的自由粒子本征半導體：本征半導體：n=p=ni第6頁/共32頁電子：電子：Electron，帶負電的導電載流，帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛子，是價電子脫離原子束縛 后后形成的自由電子，對應于導帶形成的自由電子，對應于導帶中占據(jù)的電子中占據(jù)的電子空穴：空穴：Hole，帶正電的導電載流子，帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛是價電子脫離原子束縛 后形成后形成的電子空位，對應于價帶中的的電子空位，對

4、應于價帶中的電子空位電子空位第7頁/共32頁3. 半導體的能帶半導體的能帶 (價帶、導帶和帶隙價帶、導帶和帶隙)量子態(tài)和能級量子態(tài)和能級固體的能帶結構固體的能帶結構 原子能級原子能級 能帶能帶第8頁/共32頁價帶：價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶：導帶： 0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶導帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結構半導體的能帶結構第9頁/共32頁在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會在本征半導體中摻入某

5、些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。雜半導體的某種載流子濃度大大增加。4.半導體的摻雜半導體的摻雜N 型半導體： 摻入半導體的雜質原子向半導體中提供摻入半導體的雜質原子向半導體中提供 導電的電子，并成為帶正電的離子。如導電的電子，并成為帶正電的離子。如 Si中中摻摻的的P 和和As （施主原子, Donor ）P 型半導體： 摻入半導體的雜質原子向半導體中提供摻入半導體的雜質原子向半導體中提供 導電的空穴，導電的空穴，并成為帶負電的離子。并成為帶負電的離子。 如如Si中摻的中摻的B（ 受主原子，

6、 Acceptor ）施主和受主濃度：施主和受主濃度：ND、NA第10頁/共32頁N 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原就成了不

7、能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為子給出一個電子，稱為施主原子施主原子。第11頁/共32頁+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體中型半導體中的載流子是什的載流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2 2、本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。、本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第12頁/共32頁P 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼在硅或鍺晶體中

8、摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為原子接受電子，所以稱為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導體中空穴是多子，電子是少子。第13頁/共32頁雜質半導體的示意表示法雜質

9、半導體的示意表示法P 型半導體型半導體+N 型半導體型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。第14頁/共32頁本征載流子濃度：本征載流子濃度： n=p=ni np=ni2ni與禁帶寬度和溫度有關與禁帶寬度和溫度有關5. 本征載流子本征載流子本征半導體：沒有摻雜的半導體本征半導體：沒有摻雜的半導體本征載流子：本征半導體中的載流子本征載流子：本征半導體中的載流子載流子濃度載流子濃度 電電 子子 濃濃 度度 n, 空空 穴穴 濃濃 度度 p第15頁/共32頁本征半導體本征半導體一、本征半導體的結構特點一、本征半導體的結構

10、特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體晶體?，F(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。的最外層電子（價電子）都是四個。第16頁/共32頁本征半導體：本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原

11、子之間形成與其相臨的原子之間形成共價鍵共價鍵，共用一對價，共用一對價電子。電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結構：體結構：第17頁/共32頁硅和鍺的共價鍵結構硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子第18頁/共32頁共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。本征半導體的導電能力很

12、弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。則排列，形成晶體。+4+4+4+4第19頁/共32頁本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理在絕對在絕對0度度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時和沒有外界激發(fā)時, ,價價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導電），它的導電能力為能力為 0，相當于絕緣體。，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子

13、獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。1.1.載流子、自由電子和空穴載流子、自由電子和空穴第20頁/共32頁+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第21頁/共32頁本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此可以

14、認為空穴是載流可以認為空穴是載流子。子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。第22頁/共32頁溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電子移動產(chǎn)生

15、的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿赢a(chǎn)生的電流。第23頁/共32頁6. 非本征半導體的載流子非本征半導體的載流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 熱平衡時熱平衡時:N型半導體：型半導體：n大于大于pP型半導體：型半導體：p大于大于n第24頁/共32頁多子：多數(shù)載流子多子：多數(shù)載流子n型半導體：電子型半導體：電子p型半導體：空穴型半導體：空穴少子：少數(shù)載流子少子：少數(shù)載流子n型半導體：空穴型半導體：空穴p型半導體：電子型半導體：電子第25頁/共32頁7. 電中性條件電中性條件: 正負電荷之和為正負電荷之和為0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互補償施主和受主可以相

16、互補償p = n + Na Ndn = p + Nd Na第26頁/共32頁n型半導體：電子型半導體：電子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半導體：空穴型半導體：空穴 p Na 電子電子 n ni2/Na第27頁/共32頁8. 過剩載流子過剩載流子 由于受外界因素如光、電的作用，半由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子2innp 公式公式不成立不成立載流子的產(chǎn)生和復合：電子和空穴增加和消載流子的產(chǎn)生和復合：電子和空穴增加和消失的過程失的過程電子空穴對：電子和空穴成對產(chǎn)生或復合電子空穴對：電子和空穴成對產(chǎn)生或復合第28頁/共32頁9. 9. 載流子的輸運載流子的輸運漂移電流EqnqnvJdDeift遷移率 電阻率單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下輸運能力 載流子的漂移運動載流子的漂移運動：載流子在電場