半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)知識(shí)目標(biāo)：1.了解半導(dǎo)體的分類；2.掌握P、N型半導(dǎo)體的性質(zhì)；3.重點(diǎn)掌握PN結(jié)的性質(zhì)。PN結(jié)的性質(zhì)PN結(jié)的形成原理第1講教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)能力目標(biāo)：會(huì)檢測(cè)PN結(jié)的性質(zhì)。半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，物體分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的特性:光敏特性（用于制作光敏電阻、二極管、三極管等）熱敏特性（用于制作電阻）摻雜特性（用于制作半導(dǎo)體器件）。

1、本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)2、電子空穴對(duì)

3、空穴的移動(dòng)本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)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“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。一、本征半導(dǎo)體

1、本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體（單晶體）。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖1.1。

圖1.1硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)

2、電子空穴對(duì)當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖1.2所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。圖1.2本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動(dòng)畫1-1）

3、空穴的移動(dòng)

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。見圖1.3的動(dòng)畫演示。（動(dòng)畫1-2）圖1.3空穴在晶格中的移動(dòng)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

1.N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷、砷、銻等，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易掙脫原子核的束縛成為自由電子。

★N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)產(chǎn)生。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因失去一個(gè)電子帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.4所示。圖1.4N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖2.P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

★P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子因得到一個(gè)電子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5所示。圖1.5P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖1.5P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1110/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1116/cm3三、PN結(jié)1.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的電容效應(yīng)4.PN結(jié)的擊穿特性1.PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

在交界處電子和空穴相符合形成由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，由離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱為耗盡層。

圖1.6PN結(jié)的形成過程

（動(dòng)畫1-3）PN結(jié)形成的過程可參閱圖1.6。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻饧与妷菏筆N結(jié)中：

P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖1.7所示。

（動(dòng)畫1-4）圖1.7PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖1.8所示。圖1.8PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

（動(dòng)畫1-5）圖1.8PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況#3.PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。

一是勢(shì)壘電容CB，

二是擴(kuò)散電容CD。

(1)勢(shì)壘電容CB

勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容的示意圖見圖1.9。圖1.9勢(shì)壘電容示意圖

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來(lái)的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2)擴(kuò)散電容CD反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖1.10所示。

圖1.10擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。4.PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)加于PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定值（擊穿電壓）時(shí)，二極管的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。反向擊穿后，只要反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結(jié)容許的耗散