半導(dǎo)體的基本知識(shí)

1、半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1 1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí) 在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。體、絕緣體和半導(dǎo)體。 典型的半導(dǎo)體是典型的半導(dǎo)體是硅硅Si和和鍺鍺Ge，它們都是它們都是4價(jià)元素價(jià)元素。sisi硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子Ge+4+4硅和鍺最外層軌道上的硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為四個(gè)電子稱為價(jià)電子價(jià)電子。 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子束縛電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在絕對(duì)溫度在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵所有的價(jià)電子都被

2、共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為會(huì)成為自由電子自由電子，因此本因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。，接近絕緣體。一. 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常，常稱為稱為“九個(gè)九個(gè)9”。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 當(dāng)溫度升高或受到當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有電子能量增高，有的電子可以掙脫原的電子可以掙脫原子核的束縛，而參子核的

3、束縛，而參與導(dǎo)電，成為與導(dǎo)電，成為自由自由電子電子。自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由電子產(chǎn)生的自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空位，稱為空穴空穴。 可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)。 外加能量越高（外加能量越高（溫度溫度越高），產(chǎn)生的電子空越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。穴對(duì)越多。與本征激發(fā)相反的與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象現(xiàn)象復(fù)合復(fù)合在一定溫度下，本征激在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。對(duì)的濃度一

4、定。自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)自由電子自由電子 帶負(fù)電荷帶負(fù)電荷 電子流電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子E總電流總電流載流子載流子空穴空穴 帶正電荷帶正電荷 空穴流空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制導(dǎo)電機(jī)制二二. . 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.1. N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)

5、體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多數(shù)載流子多數(shù)載流子自由電子自由電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子 空穴空穴+N型半導(dǎo)體施主離子施主離子自由電子自由電子電子空穴對(duì)電子空穴對(duì) 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子P型半導(dǎo)體受主離子受主離子

6、空穴空穴電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)2.2. P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖+N型半導(dǎo)體多子多子電子電子少子少子空穴空穴P型半導(dǎo)體多子多子空穴空穴少子少子電子電子內(nèi)電場(chǎng)E因多子濃度差因多子濃度差形成內(nèi)電場(chǎng)形成內(nèi)電場(chǎng)多子的擴(kuò)散多子的擴(kuò)散 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。PNPN結(jié)合結(jié)合+P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流多子擴(kuò)散電流少子漂移電流少子漂移電流耗盡層耗盡層三三. . PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?1 . PN結(jié)的形成結(jié)的形成 動(dòng)畫演示少子飄移少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，補(bǔ)充耗盡層失

7、去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散 又失去多子，耗盡層寬，又失去多子，耗盡層寬，EP型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+內(nèi)電場(chǎng)E多子擴(kuò)散電流多子擴(kuò)散電流少子漂移電流少子漂移電流耗盡層耗盡層動(dòng)態(tài)平衡：動(dòng)態(tài)平衡： 擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流 漂移電流漂移電流總電流總電流0勢(shì)壘勢(shì)壘 UO硅硅 0.5V鍺鍺 0.1V2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?1) 加正向電壓（正偏）加正向電壓（正偏）電源正極接電源正極接P區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接N區(qū)區(qū) 外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。 外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng) 耗盡層變窄耗盡層變窄 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)多子多子擴(kuò)散形成正向電流擴(kuò)散

8、形成正向電流I I F F+P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+WER空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)E正向電流正向電流 (2) 加反向電壓加反向電壓電源正極接電源正極接N區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接P區(qū)區(qū) 外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。 外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng) 耗盡層變寬耗盡層變寬 漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移形成反向電流少子漂移形成反向電流I I R R+內(nèi)電場(chǎng)+E+EW+空 間 電 荷 區(qū)+R+IRPN 在一定的溫度下，由本在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故一定的，故IR基本上與外基本上與外加反壓的大小無(wú)關(guān)加反壓的大小無(wú)關(guān)，所以所以稱為稱為反向飽和電流反向飽和電流。但。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。與溫度有關(guān)。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通；結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)ЫY(jié)具有單向?qū)щ娦?。電性?. PN結(jié)結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式的伏安特