常用半導(dǎo)體器件原理1A本征半導(dǎo)體PPT課件

1、 1 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理(1A)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體孫肖子西電絲綢之路云課堂西電絲綢之路云課堂 2 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.2 晶體二極管及其應(yīng)用晶體二極管及其應(yīng)用2.3 晶體三極管原理、特性及參數(shù)晶體三極管原理、特性及參數(shù)2.4 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管原理、特性及參數(shù)管原理、特性及參數(shù)2.5 晶體三極管及場(chǎng)效應(yīng)管低頻小信號(hào)模型晶體三極管及場(chǎng)效應(yīng)管低頻小信號(hào)模型 3 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨

2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度、光照和摻雜溫度、光照和摻雜等因素發(fā)生顯著等因素發(fā)生顯著變化，這些特點(diǎn)使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。變化，這些特點(diǎn)使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。導(dǎo)體導(dǎo)體：對(duì)電信號(hào)有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。：對(duì)電信號(hào)有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。絕緣體絕緣體：對(duì)電信號(hào)起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于：對(duì)電信號(hào)起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于108 1020 m。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅 (Si) 、鍺、鍺 (Ge) 和砷化鎵和砷化鎵 (GaAs)2.

3、1.1 半導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別半導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)導(dǎo) 體體 4 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.1.2本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個(gè)電子，稱為價(jià)電子，硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個(gè)電子，稱為價(jià)電子，其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價(jià)電子，所以研其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價(jià)電子，所以研究中硅和鍺原子可以用簡(jiǎn)化模型代表究中硅和鍺原子可以用簡(jiǎn)化模型代表 。4 +4 帶一個(gè)單位負(fù)電荷的價(jià)電子 最外層軌道 帶四個(gè)單位正電荷的原子核部分

4、+14 +32 5 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理每個(gè)原子最外層軌道上每個(gè)原子最外層軌道上的四個(gè)價(jià)電子為相鄰原子核的四個(gè)價(jià)電子為相鄰原子核所共有，形成共價(jià)鍵。共價(jià)所共有，形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子是不能導(dǎo)電的鍵中的價(jià)電子是不能導(dǎo)電的束縛電子。束縛電子。 +4 價(jià)電子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共價(jià)鍵 當(dāng)當(dāng)價(jià)電子獲得足夠大的能量，掙脫共價(jià)鍵價(jià)電子獲得足夠大的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛，游離出去，成為自由電子，并在共價(jià)的束縛，游離出去，成為自由電子，并在共價(jià)鍵處留下帶有一個(gè)單位的正電荷的空穴。這個(gè)鍵處留下帶有一個(gè)單位的正電荷的空穴。這個(gè)過(guò)程稱為本征激發(fā)。過(guò)程

5、稱為本征激發(fā)。本征激發(fā)產(chǎn)生成對(duì)的自由電子和空穴，所本征激發(fā)產(chǎn)生成對(duì)的自由電子和空穴，所以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 )()(TpTnii 6 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴移動(dòng)方向 價(jià)電子移動(dòng)方向 本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負(fù)電的自本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，二者都可由電子和帶正電的空穴，二者都可以參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為以參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子載流子。 自由電子和空穴在自由移動(dòng)過(guò)程自由電子和空穴在自

6、由移動(dòng)過(guò)程中相遇時(shí)，自由電子填入空穴，釋放中相遇時(shí)，自由電子填入空穴，釋放出能量，從而消失一對(duì)載流子，這個(gè)出能量，從而消失一對(duì)載流子，這個(gè)過(guò)程稱為復(fù)合，過(guò)程稱為復(fù)合，復(fù)合是激發(fā)的逆過(guò)程復(fù)合是激發(fā)的逆過(guò)程。 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 6 7 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理分別用分別用ni和和pi表示自由電子和空穴的濃度表示自由電子和空穴的濃度 (cm-3) ，kTEeTApn2230ii0G其中其中 T 為為絕對(duì)絕對(duì)溫度溫度 (K) ；EG0 為為T(mén) = 0 K時(shí)的禁帶寬度，硅原子為時(shí)的禁帶寬度，硅原子為1.21 eV，鍺為，鍺為0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K為玻爾茲曼常數(shù)；為玻爾茲曼常數(shù)；A0為常數(shù)為常數(shù) ,濃度與溫度關(guān)系極大濃度與溫度關(guān)系極大!7結(jié)論：結(jié)論：硅的溫度穩(wěn)定性比鍺好硅的溫度穩(wěn)定性比鍺好, 這是集成電路多用硅材料的重要原因！這是集成電路多用硅材料的重