半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)用教案

1、半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)(zzh)半導(dǎo)體三、PN結(jié)第1頁(yè)/共25頁(yè)第一頁(yè)，共26頁(yè)。半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 根據(jù)(gnj)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10-3109 cm。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）。第2頁(yè)/共25頁(yè)第二頁(yè)，共26頁(yè)。 1、本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(jigu)2、電子(dinz)空穴對(duì) 3、空穴(kn xu)的移動(dòng) 本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的

2、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)體第3頁(yè)/共25頁(yè)第三頁(yè)，共26頁(yè)。 1、本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(jigu) 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(chn wi)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)第4頁(yè)/共25頁(yè)第四頁(yè)，共26頁(yè)。 2、

3、電子(dinz)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(znggo)，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)(chngxin)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)(chngxin)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)。第5頁(yè)/共25頁(yè)第五頁(yè)，共26頁(yè)。 可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子(dinz)和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子(dinz)空穴對(duì)。游離的部分自由電子(dinz)也可能回到空穴中去，稱為復(fù)

4、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)(jf)和復(fù)合的過程（動(dòng)畫1-1）第6頁(yè)/共25頁(yè)第六頁(yè)，共26頁(yè)。 3、 空穴(kn xu)的移動(dòng) 自由電子的定向運(yùn)動(dòng) 形 成 了 電 子 電 流(dinli)，空穴的定向運(yùn)動(dòng) 也 可 形 成 空 穴 電 流(dinli)，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(jn )中的移動(dòng)第7頁(yè)/共25頁(yè)第七頁(yè)，共26頁(yè)。二、雜質(zhì)(zzh)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

5、導(dǎo)電性發(fā)生顯著(xinzh)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。第8頁(yè)/共25頁(yè)第八頁(yè)，共26頁(yè)。 1.N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)(zzh)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)(zzh)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(zhyo)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)(y )電子帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原

6、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1.4 N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖第9頁(yè)/共25頁(yè)第九頁(yè)，共26頁(yè)。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(qusho)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(kn xu)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(rngy)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1.5 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 圖1.5 P

7、型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖第10頁(yè)/共25頁(yè)第十頁(yè)，共26頁(yè)。3.雜質(zhì)(zzh)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)(shj)如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41110/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個(gè)濃度基本上依次(yc)相差106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51116/cm3第11頁(yè)/共25頁(yè)第十一頁(yè)，共26頁(yè)。三、PN結(jié)1.PN結(jié)的形成(xngchng)2.PN結(jié)的單向(dn xin)導(dǎo)電性3.PN結(jié)的電容(dinrng)效應(yīng)4.PN結(jié)的擊穿特

8、性第12頁(yè)/共25頁(yè)第十二頁(yè)，共26頁(yè)。1.PN結(jié)的形成(xngchng) 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)(c sh)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(du z)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)第13頁(yè)/共25頁(yè)第十三頁(yè)，共26頁(yè)。 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(lz)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. 6 PN結(jié)

9、的形成(xngchng)過程 （動(dòng)畫1-3）PN 結(jié)形成(xngchng)的過程可參閱圖1.6。第14頁(yè)/共25頁(yè)第十四頁(yè)，共26頁(yè)。2.PN結(jié)的單向(dn xin)導(dǎo)電性 如果(rgu)外加電壓使PN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(dn xin)導(dǎo)電性，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。 第15頁(yè)/共25頁(yè)第十五頁(yè)，共26頁(yè)。 (1) PN結(jié)加正向(zhn xin)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

10、反(xingfn)，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(dodin)情況如圖1.7所示。 （動(dòng)畫1-4）圖1.7 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況第16頁(yè)/共25頁(yè)第十六頁(yè)，共26頁(yè)。 (2) PN結(jié)加反向電壓(diny)時(shí)的導(dǎo)電情況 外加的反向電壓有一部分降落(jinglu)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

11、一定(ydng)的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定(ydng)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 1.8 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況第17頁(yè)/共25頁(yè)第十七頁(yè)，共26頁(yè)。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大(jio d)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?（動(dòng)畫1-5）圖 1.8 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況第18頁(yè)/共25頁(yè)第十八頁(yè)，共26頁(yè)。#3.PN結(jié)的電容(dinrng)效應(yīng) PN結(jié)

12、具有(jyu)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 。第19頁(yè)/共25頁(yè)第十九頁(yè)，共26頁(yè)。 (1) 勢(shì)壘電容(dinrng)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)(cn ch)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)壘電容示意圖第20頁(yè)/共25頁(yè)第二十頁(yè)，共26頁(yè)。 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

13、堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定(ydng)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(fnb)曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖1.10所示。第21頁(yè)/共25頁(yè)第二十一頁(yè)，共26頁(yè)。 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(duj)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。第22頁(yè)/共25頁(yè)第二十二頁(yè)，共26頁(yè)。4.PN結(jié)的擊穿(j chun)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

14、向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象(xinxing)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)容許的耗散功率， PN結(jié)一般不會(huì)損壞。擊穿(j chun)電擊穿（可恢復(fù)）熱擊穿（不可恢復(fù)）擊穿齊納擊穿（6V），具有負(fù)溫度系數(shù)雪崩擊穿（6V），具有正溫度系數(shù)第23頁(yè)/共25頁(yè)第二十三頁(yè)，共26頁(yè)。本節(jié)小結(jié)(xioji) 學(xué)完本節(jié)內(nèi)容后需要掌握以下內(nèi)容：1.半導(dǎo)體的分類及特性；2.兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成及性質(zhì)3.PN結(jié)的形成原理4.PN結(jié)的特性-單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的擊穿(j chun)特性 兩種擊穿(j chun)：齊納擊穿(j chun)（擊穿(j chun)電壓小于6伏） 雪崩擊穿(j chun)（擊穿(j chun)電壓大于6伏）第24頁(yè)/共25頁(yè)第二十四頁(yè)，共26頁(yè)。謝謝您的觀看(gunkn)！第25頁(yè)/共25頁(yè)第二十五頁(yè)，共26頁(yè)。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)