第一節(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)

1、第一章第一章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1 1、 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體一、半導(dǎo)體的基本知識(shí)一、半導(dǎo)體的基本知識(shí) 繞原子核高速繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子旋轉(zhuǎn)的核外電子。 自然界的一切物質(zhì)都是由分子、原子組成的。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。旋轉(zhuǎn)著的帶有負(fù)電的電子組成。原子結(jié)構(gòu)中：原子結(jié)構(gòu)中：原子核原子核原子核中有質(zhì)子和中原子核中有質(zhì)子和中子，其中質(zhì)子子，其中質(zhì)子，中子不帶電。中子不帶電。（1 1） 導(dǎo)體導(dǎo)體 導(dǎo)

2、體的最外層電子數(shù)通常是13個(gè)，且距原子核較遠(yuǎn)，因此受原子核的束縛力較小。由于溫度升高、振動(dòng)等外界的影響，導(dǎo)體的最外層電子就會(huì)獲得一定能量，從而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)電材料有金、銀、銅、鋁等。內(nèi)部含有大量的自由電子內(nèi)部含有大量的自由電子（2） 絕緣體絕緣體 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、陶瓷、惰性氣體等。 內(nèi)部幾乎沒(méi)有自由電子，因此不導(dǎo)電。（3） 半導(dǎo)體半導(dǎo)體

3、 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、鍺等。 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)電能力增強(qiáng) 。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)。純凈的半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變。半導(dǎo)體材料的獨(dú)特性能是由其所決定的。2 2 、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性3 3、 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體價(jià)電子共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對(duì)用電子對(duì)+4+4表示除去價(jià)電表示除去價(jià)電子后的原子子后的原子本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。

4、 在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，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)電子兩兩組成電子對(duì)，形成子的價(jià)電子兩兩組成電子對(duì)，形成。共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為。共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為。+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子 在熱力學(xué)零度時(shí)在熱力學(xué)零度時(shí)，半導(dǎo)體半導(dǎo)體不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或受不導(dǎo)電。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，成為掙脫原子核的束縛，成為自由電子自由電子本征激發(fā)本征激發(fā)。 自由電子產(chǎn)生自由電子產(chǎn)生

5、的同時(shí)，在其原的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，出現(xiàn)了一個(gè)空位，這個(gè)空位為這個(gè)空位為空穴空穴。因本征激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)因本征激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)。電子和空穴產(chǎn)生過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示電子和空穴產(chǎn)生過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示若在半導(dǎo)體兩端外若在半導(dǎo)體兩端外加電壓，帶負(fù)電的加電壓，帶負(fù)電的自由電子和帶正電自由電子和帶正電的空穴如何運(yùn)動(dòng)？的空穴如何運(yùn)動(dòng)？ 在外加電場(chǎng)作用下，自由電子定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流在外加電場(chǎng)作用下，自由電子定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流漂移電流漂移電流。 空穴吸引相鄰原子中的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，在價(jià)電子原空穴吸引相鄰原子中的價(jià)

6、電子來(lái)填補(bǔ)，在價(jià)電子原來(lái)的位置上出現(xiàn)了新的空穴來(lái)的位置上出現(xiàn)了新的空穴，不斷地重復(fù)運(yùn)動(dòng)，相，不斷地重復(fù)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于空穴運(yùn)動(dòng)當(dāng)于空穴運(yùn)動(dòng)空穴電流空穴電流。自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，使兩者同時(shí)消失會(huì)填補(bǔ)空穴，使兩者同時(shí)消失復(fù)合。復(fù)合。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載載流子流子，即，即自由電子自由電子和和空穴空穴。帶負(fù)電的帶負(fù)電的自由電子自由電子向向正極做定向運(yùn)動(dòng)正極做定向運(yùn)動(dòng)，被原，被原子核束縛著的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴使子核束縛著的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴使空穴向負(fù)極空穴向負(fù)極運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。兩種載流子形成。兩種載流子形成電荷極

7、性不同電荷極性不同，但，但電電流方向相同流方向相同的電子流。的電子流。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿?dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子自由電子 帶負(fù)電荷帶負(fù)電荷 電子流電子流總電流總電流載流子載流子空穴空穴 帶正電荷帶正電荷 空穴流空穴流半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理動(dòng)畫(huà)演示半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理動(dòng)畫(huà)演示本征半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴載流子。自由電子和空穴載流子。在半導(dǎo)體兩端外加電壓，帶負(fù)電的自由電子向正極做定向在半

8、導(dǎo)體兩端外加電壓，帶負(fù)電的自由電子向正極做定向運(yùn)動(dòng)，被原子核束縛著的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴使空穴向負(fù)極運(yùn)運(yùn)動(dòng)，被原子核束縛著的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴使空穴向負(fù)極運(yùn)動(dòng)。兩種載流子形成電荷極性不同，但電流方向相同的電動(dòng)。兩種載流子形成電荷極性不同，但電流方向相同的電子流。子流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的一個(gè)重要的外部因素，強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。4 4、半導(dǎo)體的導(dǎo)電

9、機(jī)理總結(jié)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理總結(jié) 在溫度一定時(shí)，這兩種相互矛盾的運(yùn)動(dòng)達(dá)到在溫度一定時(shí)，這兩種相互矛盾的運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)平相對(duì)平衡衡，單位時(shí)間內(nèi)電子，單位時(shí)間內(nèi)電子- -空穴對(duì)產(chǎn)生和復(fù)合的數(shù)目相等，空穴對(duì)產(chǎn)生和復(fù)合的數(shù)目相等，實(shí)際存在著的電子實(shí)際存在著的電子- -空穴對(duì)維持在一定的數(shù)目上。空穴對(duì)維持在一定的數(shù)目上。 晶體內(nèi)原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，熱激發(fā)增多，產(chǎn)晶體內(nèi)原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，熱激發(fā)增多，產(chǎn)生超過(guò)復(fù)合，使原來(lái)的平衡被破壞，自由電子生超過(guò)復(fù)合，使原來(lái)的平衡被破壞，自由電子和空穴的數(shù)目增多，復(fù)合的機(jī)會(huì)也增大，最后和空穴的數(shù)目增多，復(fù)合的機(jī)會(huì)也增大，最后達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡。達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡。 說(shuō)明：說(shuō)明

10、：熱激發(fā)產(chǎn)生的電子熱激發(fā)產(chǎn)生的電子- -空穴對(duì)的空穴對(duì)的數(shù)目，是由溫度決定的，在一般室溫?cái)?shù)目，是由溫度決定的，在一般室溫下，其數(shù)量甚少；當(dāng)溫度升高時(shí)，其下，其數(shù)量甚少；當(dāng)溫度升高時(shí)，其數(shù)量隨之增加，即半導(dǎo)體導(dǎo)電能力隨數(shù)量隨之增加，即半導(dǎo)體導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)。之增強(qiáng)。5 5. . 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體?？昭舛却蟠笤黾?/p>

11、的雜質(zhì)半導(dǎo)體。N N 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。(1) N(1) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體五價(jià)元素磷五價(jià)元素磷(P)(P)444444444P摻入磷雜質(zhì)的摻入磷雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶格中半導(dǎo)體晶格中，自由電子的，自由電子的數(shù)量大大增加數(shù)量大大增加。在在N N型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)目大增，型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)目大增，自由電子數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)量自由電子數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)量，自自由電子由電子被稱為被稱為“多數(shù)載流子多數(shù)載流子”（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱“多子多子”）；空穴空穴則稱為則稱為“少數(shù)載流少數(shù)載流子子”（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱“少子少子”）。正離子正離子電子電子多出

12、多出一個(gè)一個(gè)電子電子出現(xiàn)出現(xiàn)了一了一個(gè)正個(gè)正離子離子+4+4+4+4+4+4+4+4P P半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子N N型半導(dǎo)體形成過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示型半導(dǎo)體形成過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示( (2 2) ) P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體444444444三價(jià)元素硼三價(jià)元素硼(B)(B)B摻入硼雜質(zhì)的半摻入硼雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶格中，空導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量穴載流子的數(shù)量大大增加。大大增加。 摻入摻入三價(jià)三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，空穴載流子的數(shù)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量量大大于自由電子載流子的數(shù)量，叫做叫做P P型型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 在在P P型半導(dǎo)體中，型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流少數(shù)載流子是自由電子子是自由電子，而不能移動(dòng)的離子帶，而不能移動(dòng)的離子帶負(fù)電負(fù)電。出出現(xiàn)現(xiàn)了了一一個(gè)個(gè)空空位位+4+4+4+4+4+4B B+4+4+4+4+4+4+4+4B B+4+4負(fù)離子負(fù)離子空穴空穴半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的空穴和負(fù)離子半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的空穴和負(fù)離子負(fù)離子負(fù)離子空穴空穴P P型半導(dǎo)體的形成過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示型半導(dǎo)體