電子技術(shù)基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識

電子技術(shù)基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識1第一頁，共三十頁，2022年，8月28日目錄『contents』1導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體32本征半導(dǎo)體3摻雜半導(dǎo)體2110第二頁，共三十頁，2022年，8月28日一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體3物質(zhì)分類根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

導(dǎo)體：ρ<10－6Ω·m

絕緣體：ρ>108Ω·m

半導(dǎo)體：10－6Ω·m<ρ<108Ω·m第三頁，共三十頁，2022年，8月28日一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體4物質(zhì)分類

導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。

絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。第四頁，共三十頁，2022年，8月28日一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體52.物質(zhì)導(dǎo)電能力有差異的內(nèi)因

繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子帶負(fù)電。

自然界的一切物質(zhì)都是由分子、原子組成的。原子又由一個(gè)帶正電的原子核和在它周圍高速旋轉(zhuǎn)著的帶有負(fù)電的電子組成。正電荷負(fù)電荷=原子結(jié)構(gòu)中：原子核＋原子核中有質(zhì)子和中子，其中質(zhì)子帶正電，中子不帶電。第五頁，共三十頁，2022年，8月28日一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體62.物質(zhì)導(dǎo)電能力有差異的內(nèi)因

導(dǎo)體的最外層電子數(shù)通常是1-3個(gè)，且距原子核較遠(yuǎn)，因此受原子核的束縛較小。由于溫度升高、振動(dòng)等外界的影響，導(dǎo)體的最外層電子會獲得一定能量，掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子。因此，導(dǎo)體在常溫下存在大量的自由電子，具有良好的導(dǎo)電能力。常用的導(dǎo)電材料有銀、銅、鋁、金等。

原子核＋導(dǎo)體的特點(diǎn)：內(nèi)部含有大量的自由電子第六頁，共三十頁，2022年，8月28日一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體72.物質(zhì)導(dǎo)電能力有差異的內(nèi)因

絕緣體的最外層電子數(shù)一般為6-8個(gè)，且距原子核較近，因此受原子核的束縛力較強(qiáng)而不易掙脫其束縛。常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子，因此導(dǎo)電能力極差或不導(dǎo)電。常用的絕緣體材料有橡膠、云母、陶瓷等。原子核＋絕緣體的特點(diǎn)：內(nèi)部幾乎沒有自由電子，因此不導(dǎo)電。第七頁，共三十頁，2022年，8月28日一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體82.物質(zhì)導(dǎo)電能力有差異的內(nèi)因

半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個(gè)，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而在常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等。

半導(dǎo)體的特點(diǎn)：

雖然導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但是具有其獨(dú)特的性能。原子核＋第八頁，共三十頁，2022年，8月28日一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體93.半導(dǎo)體的特性(1)熱敏性：導(dǎo)體的導(dǎo)電能力對溫度反應(yīng)靈敏，受溫度影響大。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)，稱為熱敏性。利用熱敏性可制成熱敏元件。(2)光敏性：導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的不同而不同。當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，稱為光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)摻雜性：導(dǎo)電能力受雜質(zhì)影響極大，雜質(zhì)濃度越高導(dǎo)電能力越強(qiáng)，稱為摻雜性。第九頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體10++Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡化模型圖Si+4Ge+4因?yàn)樵映孰娭行?，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可。

最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)（原子序數(shù)14）和鍺(Ge)（原子序數(shù)32），它們的共同特征是四價(jià)元素，即每個(gè)原子最外層電子數(shù)為4個(gè)。1.硅和鍺的原子簡化模型第十頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體11本征半導(dǎo)體——不含任何雜質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)完整的半導(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99.9999999%，常稱為“99純度”。2.本征半導(dǎo)體第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體123.硅晶體結(jié)構(gòu)圖第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體13+4價(jià)電子+4第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體144.本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

把硅和鍺材料制成單晶體時(shí)，相鄰兩個(gè)原子的一對最外層電子成為共有電子，它們一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng)，另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，即價(jià)電子不僅受到自身原子核的作用，同時(shí)還受到相鄰原子核的吸引。于是，相鄰的原子共有一對價(jià)電子，組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。每一個(gè)原子均與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合，即與相鄰四個(gè)原子的價(jià)電子兩兩組成四對電子對。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4實(shí)際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。晶格結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體4.本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)在絕對溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。15第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體5.本征半導(dǎo)體中的本征激發(fā)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價(jià)鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個(gè)原子外層都具有8個(gè)價(jià)電子。但價(jià)電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價(jià)電子原位上留下一個(gè)不能移動(dòng)的空位，叫空穴。

受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中價(jià)電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，一些價(jià)電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。

由于共價(jià)鍵的束縛作用，這些帶正電的離子不會移動(dòng)，即不能參與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動(dòng)的帶正電離子。＋＋16第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體6.本征半導(dǎo)體中的自由電子-空穴對復(fù)合＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中其它一些價(jià)電子直接跳進(jìn)空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。

價(jià)電子填補(bǔ)空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。

參與復(fù)合的價(jià)電子又會留下一個(gè)新的空位，而這個(gè)新的空穴仍會被鄰近共價(jià)鍵中跳出來的價(jià)電子填補(bǔ)上，這種價(jià)電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)稱為空穴載流子運(yùn)動(dòng)。此時(shí)整個(gè)晶體帶電嗎？為什么？17第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體7.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制

自由電子載流子運(yùn)動(dòng)可以形容為沒有座位人的移動(dòng)；空穴載流子運(yùn)動(dòng)則可形容為有座位的人依次向前挪動(dòng)座位的運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運(yùn)動(dòng)總是共存的，且在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。自由電子運(yùn)動(dòng)方向：D—C—B--A?？昭ㄟ\(yùn)動(dòng)方向：A—B—C—D二者運(yùn)動(dòng)方向相反18第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體7.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制自由電子：帶負(fù)電荷，逆電場運(yùn)動(dòng)，形成電子流載流子空穴：帶正電荷，順電場運(yùn)動(dòng)，形成空穴流因?yàn)槎叨际菙y帶電荷的粒子，所以統(tǒng)稱為載流子。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有本質(zhì)上的區(qū)別：金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是本征激發(fā)下的自由電子和復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的空穴兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反。19第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日二、本征半導(dǎo)體本征激發(fā)的幾點(diǎn)說明：1.空穴與電子是成對出現(xiàn)的，稱為電子—空穴對。其自由電子和

空穴數(shù)目總是相等的。所以整塊晶體仍然呈電中性。2.溫度越高，光照能量越強(qiáng)，產(chǎn)生的電子—空穴對數(shù)目就越多，

這就是半導(dǎo)體的熱敏性和光敏性。3.在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電

子空穴對的濃度一定。4.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能很差，而且和環(huán)境溫度光照密切相關(guān)，

因此導(dǎo)電性能很不穩(wěn)定。5.空穴只是價(jià)電子跳出共價(jià)鍵之后留下的空位，并不是實(shí)粒子。

只在半導(dǎo)體中存在。20第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日三、摻雜半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。摻雜半導(dǎo)體{N型半導(dǎo)體：摻入五價(jià)元素后形成的半導(dǎo)體，自由電子濃度大大升高。主要靠自由電子導(dǎo)電。P型半導(dǎo)體：摻入三價(jià)元素后形成的半導(dǎo)體，空穴濃度大大升高。主要靠空穴導(dǎo)電。

一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可增強(qiáng)幾十萬倍。21第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日三、摻雜半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。22第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日三、摻雜半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體+五價(jià)元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，不能移動(dòng)的離子帶正電。23第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日24多余電子磷原子硅原子++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對三、摻雜半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.由于熱激發(fā)仍成對產(chǎn)生電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)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）。24第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日三、摻雜半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可以吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。25第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日三、摻雜半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價(jià)元素硼(B)B+摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

摻入三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，不能移動(dòng)的離子帶負(fù)電。－26第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日三、摻雜半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體空穴硼原子硅原子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對1.由受主原子提供的空穴，濃度與受主原子相同。2.由于熱激發(fā)仍成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度?？昭ǚQ為多數(shù)載流子（多子），自由電子稱為少數(shù)載流子（少子）。27第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日三、摻雜半導(dǎo)體3.摻雜半導(dǎo)體的幾點(diǎn)說明1.對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多子的濃度越高，少子的濃度就越低。2.多子的濃度約等于所摻雜質(zhì)原子的濃度，