第2講半導(dǎo)體基本知識(第一周)

1、2.1 2.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識2.2 PN2.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性第第2 2講講 半導(dǎo)體的基本知識（半導(dǎo)體的基本知識（2 2學(xué)時）學(xué)時）2.1 2.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識 一、一、 半導(dǎo)體定義及材料半導(dǎo)體定義及材料 二、半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 三、本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用 四、雜質(zhì)半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用雜質(zhì)半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體？semiconductorconductorinsulator半導(dǎo)體半導(dǎo)體指指常溫常溫下下導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之介于導(dǎo)體與絕緣體之間

2、的材料間的材料外部條件外部條件內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 一、一、 半導(dǎo)體定義及材料半導(dǎo)體定義及材料典型的半導(dǎo)體有典型的半導(dǎo)體有硅硅SiSi和和鍺鍺GeGe以及以及砷化鎵砷化鎵GaAsGaAs等。等。銀 銅 鋁 鐵 炭筆 酸溶液 鹽水 地表 濕木 鍺 硅 汽油 干紙 干布 玻璃 橡膠 陶瓷 導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力絕緣能力絕緣能力二、半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)二、半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子的結(jié)構(gòu)簡化模型及硅原子的結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)特點：有序、穩(wěn)定、不易破壞特點：有序、穩(wěn)定、不易破壞由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對三、本征半導(dǎo)體三、本征半導(dǎo)體、空穴及其

3、導(dǎo)電作用、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。晶體形態(tài)。共價鍵中的空位共價鍵中的空位掙脫束縛的價電子掙脫束縛的價電子載流子載流子運載電荷的粒子運載電荷的粒子問題問題1 1空穴和自由電子的絕對數(shù)目是否相等？空穴和自由電子的絕對數(shù)目是否相等？問題問題2 2外部條件（溫度、能量）的增加對空穴和自由電外部條件（溫度、能量）的增加對空穴和自由電子數(shù)目有何影響？子數(shù)目有何影響？空穴和自由電子數(shù)目增加空穴和自由電子數(shù)目增加空穴的移動空穴的移動空穴的運動空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空

4、穴來實現(xiàn)的。依次充填空穴來實現(xiàn)的。（相對概念，空穴也會動）（相對概念，空穴也會動）電子的移動電子的移動與外電場方與外電場方向相反向相反。E載流子的運動載流子的運動載流子的載流子的產(chǎn)生產(chǎn)生與與復(fù)合復(fù)合兩種運動均兩種運動均不會停止不會停止，達(dá)到，達(dá)到動態(tài)平衡動態(tài)平衡問題問題3 3在外電場作用下，空穴和自由電子會有什么運動在外電場作用下，空穴和自由電子會有什么運動趨勢？趨勢？問題問題4 4如何提高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電率？如何提高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電率？1、提高溫度，增加能量（改善有限）2、改變半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，增加空穴或電子的數(shù)量 四、雜質(zhì)半導(dǎo)體四、雜質(zhì)半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用、空穴及其導(dǎo)電作用 在本征半導(dǎo)體中摻

5、入某些微量元素作為雜質(zhì)，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)可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是主要是三價三價或或五價五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 1 1） N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1 1、五價磷原子引、五價磷原子引入多余自由電子，入多余自由電子，卻不引入空穴卻不引入空穴 五價磷原子失去電子成為五價磷

6、原子失去電子成為正離子，正離子，五價雜質(zhì)原子也稱為五價雜質(zhì)原子也稱為施施主雜質(zhì)主雜質(zhì)。2 2、硅原子本征激發(fā)、硅原子本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子空穴產(chǎn)生自由電子空穴對對問題問題1 1空穴和電子的絕對數(shù)目是否相等？空穴和電子的絕對數(shù)目是否相等？問題問題2 2空穴和電子哪個是多數(shù)載流子，哪個是少數(shù)載流子？空穴和電子哪個是多數(shù)載流子，哪個是少數(shù)載流子？ 在在N N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；子提供；空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子, , 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。問題問題3 3N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電的可控性與摻入的磷原子數(shù)目有何型半導(dǎo)體的導(dǎo)

7、電的可控性與摻入的磷原子數(shù)目有何關(guān)系？關(guān)系？磷原子數(shù)目越多，自由電子越多，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。半磷原子數(shù)目越多，自由電子越多，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電可控性越強(qiáng)。導(dǎo)體的導(dǎo)電可控性越強(qiáng)。 2 2） P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1 1、三價硼原子引、三價硼原子引入空位入空位 三價硼原子接受電子成為三價硼原子接受電子成為負(fù)離子，負(fù)離子，因而也稱為因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。2 2、硅原子本征激發(fā)、硅原子本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子空穴產(chǎn)生自由電子空穴對對3 3、自由電子補(bǔ)充了、自由電子補(bǔ)充了空位，留下空穴空位，留下空穴問題問題4 4空穴和電子的絕對數(shù)目是否相等？空穴和電子的絕對數(shù)目是否相等？問題問題5 5空穴和電子哪

8、個是多數(shù)載流子，哪個是少數(shù)載流子？空穴和電子哪個是多數(shù)載流子，哪個是少數(shù)載流子？問題問題6 6N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電的可控性與摻入的硼原子數(shù)目有何型半導(dǎo)體的導(dǎo)電的可控性與摻入的硼原子數(shù)目有何關(guān)系？關(guān)系？硼硼原子數(shù)目越多，空穴越多，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。半導(dǎo)體原子數(shù)目越多，空穴越多，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電可控性越強(qiáng)。的導(dǎo)電可控性越強(qiáng)。 在在P P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；它主要由摻雜形成；自由自由電子是少數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 3） 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影摻

9、入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: : T=300 K室溫下室溫下,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 2摻雜后摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3問題問題7 7影響半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性的是多數(shù)載流子還是少數(shù)影響半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性的是多數(shù)載流子還是少數(shù)載流子？載流子？ 在在P P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中自由自由電子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子。 在在N N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子。u ！多數(shù)載流子影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電性；少數(shù)

10、載流子影多數(shù)載流子影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電性；少數(shù)載流子影響半導(dǎo)體的溫度穩(wěn)定性。響半導(dǎo)體的溫度穩(wěn)定性。 溫度升高時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目相溫度升高時，雜質(zhì)半導(dǎo)體中產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目相同，二者濃度的變化卻不相同！同，二者濃度的變化卻不相同！1 1、理解常用半導(dǎo)體材料、結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電原理。、理解常用半導(dǎo)體材料、結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電原理。 （本征半導(dǎo)體、自由電子、空穴）（本征半導(dǎo)體、自由電子、空穴） 本講小結(jié)本講小結(jié)改善本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性且使其可控改善本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性且使其可控end2 2、掌握為什么要對本征半導(dǎo)體添加雜質(zhì)，改變、掌握為什么要對本征半導(dǎo)體添加雜質(zhì)，改變其結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)。（雜質(zhì)半導(dǎo)

11、體、（雜質(zhì)半導(dǎo)體、 N N型半導(dǎo)體、型半導(dǎo)體、P P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體、多數(shù)載流子、少數(shù)載流子）體、多數(shù)載流子、少數(shù)載流子）2.2 2.2 PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 一、載流子的漂移與擴(kuò)散一、載流子的漂移與擴(kuò)散 二、 PN PN結(jié)的形成結(jié)的形成 三、 PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?四、 PNPN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 五、PNPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)形成形成PN結(jié)，實現(xiàn)單向?qū)щ娦越Y(jié)，實現(xiàn)單向?qū)щ娦?P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有什么作用？型半導(dǎo)體有什么作用？一、載流子的漂移與擴(kuò)散一、載流子的漂移與擴(kuò)散2.2.漂移運動：漂移運動： 在電場作用引起的載流子的運動稱為在電場

12、作用引起的載流子的運動稱為漂移運動漂移運動。1.1.擴(kuò)散運動：擴(kuò)散運動： 由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴(kuò)散擴(kuò)散運動運動。二、二、PN結(jié)的形成結(jié)的形成P P型空穴濃度型空穴濃度 電子濃度電子濃度 N N型電子濃度型電子濃度 空穴濃度空穴濃度空穴空穴自由電子自由電子1 1）由載流子濃度差引起）由載流子濃度差引起擴(kuò)散運動擴(kuò)散運動2 2）擴(kuò)散運動形成擴(kuò)散運動形成空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，產(chǎn)生產(chǎn)生內(nèi)電場內(nèi)電場3 3）內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散空穴空穴自由電子自由電子擴(kuò)散運動擴(kuò)散運動空穴空穴漂移運動漂移運動自由電子自由電子自由

13、電子自由電子 對于對于P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的子薄層形成的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)稱為稱為PNPN結(jié)結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱稱耗盡層耗盡層。 4 4）多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到）多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡，形成動態(tài)平衡，形成PNPN結(jié)結(jié)三、三、PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使當(dāng)外加電壓使PNPN結(jié)中結(jié)中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，區(qū)的電位，稱為加稱為加正向電壓正向電壓，簡稱，簡稱正偏正偏；反之稱為加；反之稱為加反向電壓反向電壓，簡稱簡稱反偏反偏。 1)

14、 PN1) PN結(jié)加正向電壓時結(jié)加正向電壓時擴(kuò)散運動為主，較擴(kuò)散運動為主，較大的正向擴(kuò)散電流大的正向擴(kuò)散電流 低電阻低電阻 2) PN2) PN結(jié)加反向電壓時結(jié)加反向電壓時漂移運動為主；很小的漂移運動為主；很小的反向漂移電流，近似于反向漂移電流，近似于截止截止高電阻高電阻 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關(guān)，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關(guān)，這個電流也稱為這個電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 問題問題1 1PN結(jié)反向偏置時，為什么

15、只有很小的反向漂移電流？結(jié)反向偏置時，為什么只有很小的反向漂移電流？問題問題2 2隨著反向偏置電壓的增大，反向漂移電流如何變化？隨著反向偏置電壓的增大，反向漂移電流如何變化？ 反向漂移電流是由少數(shù)載流子運動形成的，濃度很小反向漂移電流是由少數(shù)載流子運動形成的，濃度很小 PNPN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；大的正向擴(kuò)散電流； PNPN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。小的反向漂移電流。 由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PNPN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。結(jié)具有單向?qū)щ娦?。隨著溫度變化，少數(shù)載流

16、子的相對濃度變化較隨著溫度變化，少數(shù)載流子的相對濃度變化較大，所以反向漂移電流變化明顯，速度變快。大，所以反向漂移電流變化明顯，速度變快。這也是半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差的原因。這也是半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差的原因。 3) PN3) PN結(jié)結(jié)V V- -I I 特性表達(dá)式特性表達(dá)式其中其中PNPN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性)1e (/SDD TVIivI IS S 反向飽和電流反向飽和電流V VT T 溫度的電壓當(dāng)量溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（且在常溫下（T T=300K=300K）V026. 0 qkTVTmV 26 四、四、PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)的反向電壓增加結(jié)的反向電壓增

17、加到一定數(shù)值時，反向電流突到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為然快速增加，此現(xiàn)象稱為PNPN結(jié)的結(jié)的反向擊穿。反向擊穿。熱擊穿熱擊穿不可逆不可逆 雪崩擊穿雪崩擊穿由于由于碰撞作用碰撞作用打破共價鍵打破共價鍵 齊納擊穿齊納擊穿由于由于強(qiáng)電場強(qiáng)電場作用打破共價鍵作用打破共價鍵 電擊穿電擊穿可逆可逆五、五、PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)(1) (1) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容C CD D計算機(jī)為什么需要有主頻參數(shù)，是因為計算機(jī)為什么需要有主頻參數(shù)，是因為PNPN結(jié)具有電容效應(yīng)，兩方面：結(jié)具有電容效應(yīng)，兩方面： (2) (2) 勢壘電容勢壘電容C CB B(1) (1) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容C CD D擴(kuò)散電容示意圖擴(kuò)散電容示意圖電荷的濃度變化類電荷的濃度變化類似于電容的充放電似于電容的充放電效果，形成擴(kuò)散電效果，形成擴(kuò)散電容容C CD D空間電荷區(qū)的寬窄空間電荷區(qū)的寬窄變化類似電容的