第一章 半导体器件基础1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管

§1.1 半导体基础知识一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应

1.1 半导体的基本知识半导体的基本概念： 在物理学中。根据材料的导电能力，可以 将他们划分导体、绝缘体和半导体。 导体：电阻率小于10-4 cm的物质称为导体。 绝缘体：电阻率大于109 cm的物质称为绝缘体 半导体：电阻率介于导体与绝缘体之间的物质。

半导体两个重要的特点 1.当半导体在光照或温度升高的条件下， 其导电能力会产生明显变化。 2.在纯净的半导体中掺入微量杂质以后， 其导电能力会明显升高。

典型的半导体是硅Si和锗Ge,它们都是4价元素。

si

Ge Ge

+4 +4

硅原子

锗原子

硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。

1.1.2晶体中的价电子与共价键

一. 本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常 称为“九个9”。 本征半导体的共价键结构

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4束缚电子

+4

在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。

+4

+4

+4

当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由

+4空穴

+4

+4自由电子

+4

+4

+4

电子。 自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。

这一现象称为本征激发，也称热激发。

可见本征激发同时产生

+4

+4

+4

电子空穴对。 外加能量越高(温度 越高),产生的电子空 穴对越多。与本征激发相反的 现象——复合 在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。

+4空穴

+4自由电子

+4

+4电子空穴对

+4

+4

常温300K时： 1.4 1010 3 硅： cm 电子空穴对的浓度2 锗：.5 1013

cm3

-

E+4 +4 +4

+自由电子

导电机制

+4

+4

+4

+4

+4

+4

载流子

自由电子 空穴

带负电荷 带正电荷

电子流

+总电流 空穴流

本征半导体的导电性取决于外加能量：

温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。

二. 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。

1. N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，砷等，称为N型半导体。

N型半导体硅原子 多余电子

+4

+4

+4

电子空穴对

自由电子

N型半导体

+4磷原子

+5

+4

+ +

+ + +

+ + +

+ + +施主离子

+4

+4

+4

+

多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴

2. P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。硅原子 电子空穴对 空穴

+4空穴

+4

+4-

P型半导体 - - - - - - - -

+4硼原子

+3

+4

- -

- 受主离子

+4

+4

+4

多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子

杂质半导体的示意图多子—空穴P型半导体

多子—电子

N型半导体-- -

-- - 少子—电子

- - -

- - -

++ +

++ +

+ + +

+ + +

少子—空穴 少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关

三. PN结及其单向导电性1 . PN结的形成PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区

形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E P型半导体 空间电荷区 N型半导体

- - -

- - -

- - -

- - -

+ + +耗尽层

+ + +

+ + +

+ + +

少子漂移电流

多子扩散电流

补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散

内电场E

P型半导体 耗尽层 - - - - - - - - - - - - + + +

N型半导体 + + + + + + + + +

多子扩散电流 少子漂移电流

动态平衡： 扩散电流 = 漂移电流 势垒 UO硅 0.5V 锗 0.1V

总电流=0