(整理)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識.

1、精品文檔1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識概念歸納本征半導(dǎo)體定義：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。電流形成過程：自由電子在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動形成電流。絕緣體原子結(jié)構(gòu)：最外層電子受原子核束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子。絕緣體導(dǎo)電性：極差。如惰性氣體和橡膠。半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體材料為四價元素，它們的最外層電子既不像導(dǎo)體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能：介于半導(dǎo)體與絕緣體之間。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，導(dǎo)電性能具有可控性。在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性有明顯的變化。晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱

2、為晶格。共價鍵結(jié)構(gòu)：相鄰的兩個原子的一對最外層電子（即價電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運(yùn)動，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構(gòu)成共價鍵。自由電子的形成：在常溫下，少數(shù)的價電子由于熱運(yùn)動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。空穴：價電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。電子電流：在外加電場的作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流?？昭娏鳎簝r電子按一定的方向依次填補(bǔ)空穴（即空穴也產(chǎn)生定向移動），形成空穴電流。本征半導(dǎo)體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運(yùn)動方向相反。載流子：運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。導(dǎo)體電的特點(diǎn)：導(dǎo)

3、體導(dǎo)電只有一種載流子，即自由電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體電的特點(diǎn)：本征半導(dǎo)體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。本征激發(fā)：半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。復(fù)合：自由電子在運(yùn)動的過程中如果與空穴相遇就會填補(bǔ)空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。動態(tài)平衡：在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復(fù)合的自由電子與空穴對數(shù)目相等，達(dá)到動態(tài)平衡。載流子的濃度與溫度的關(guān)系：溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當(dāng)溫度升高時，熱運(yùn)動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導(dǎo)電性能增強(qiáng)；當(dāng)溫度降低，則載流子

4、的濃度降低，導(dǎo)電性能變差。結(jié)論：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。少數(shù)載流子：N型半導(dǎo)體中，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。施子原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，

5、導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半導(dǎo)體。多子：P型半導(dǎo)體中，多子為空穴。少子：P型半導(dǎo)體中，少子為電子。受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。結(jié)論：多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。少子的濃度決定于溫度。PN結(jié)的形成:將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)的特點(diǎn)：具有單向?qū)щ娦浴U(kuò)散運(yùn)動：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動?？臻g電荷區(qū)：擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子

6、與空穴復(fù)合，而擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動，稱為空間電荷區(qū)。電場形成：空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場?？臻g電荷加寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。漂移運(yùn)動：在電場力作用下，載流子的運(yùn)動稱漂移運(yùn)動。PN結(jié)的形成過程：如圖所示，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動的少子數(shù)目，從而達(dá)到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)。擴(kuò)散運(yùn)功自由電子7X/oxooo(a)P(x與N區(qū)中載流子的擴(kuò)散運(yùn)動P忖結(jié)的形成電位差：空間電荷區(qū)具有一定的寬度，形成電位差

7、Uh，電流為ho零。耗盡層：絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)自由電子和空穴的數(shù)目都非常少，在分析PN結(jié)時常忽略載流子的作用，而只考慮離子區(qū)的電荷，稱耗盡層。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮端接電源的正極，N端接電源的負(fù)極稱之為PN結(jié)正偏。此時PN結(jié)如同一個開關(guān)合上，呈現(xiàn)很小的電阻，稱之為導(dǎo)通狀態(tài)。P端接電源的負(fù)極，N端接電源的正極稱之為PN結(jié)反偏，此時PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，如同開關(guān)打開。結(jié)電阻很大，當(dāng)反向電壓加大到一定程度，PN結(jié)會發(fā)生擊穿而損壞。伏安特性曲線：加在PN結(jié)兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示：正向特性：u0的部分稱為正向特性。反向特性：u0的部分稱為反向特性。反向擊穿：當(dāng)

8、反向電壓超過一定數(shù)值UBR后，反向電流急劇增(BR)加，稱之反向擊穿。勢壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容cb。b變?nèi)荻O管:當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時,Cb明顯隨u的變化而變化,b隨處加電壓變化外加電壓的關(guān)系戶Ml結(jié)術(shù)勢壘電容而制成各種變?nèi)荻O管。如下圖所示。平衡少子：PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時的少子稱為平衡少子。非平衡少子：PN結(jié)處于正向偏置時，從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子均稱為非平衡少子。擴(kuò)散電容：擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累和釋放過程與電容器充、放電過程相同，這種電容效應(yīng)稱為Cd。d結(jié)電容：勢壘電容與擴(kuò)散電容之和為PN結(jié)的結(jié)電容C。.什么是導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體?容易導(dǎo)電的物

9、質(zhì)叫導(dǎo)體，如：金屬、石墨、人體、大地以及各種酸、堿、鹽的水溶液等都是導(dǎo)體。不容易導(dǎo)電的物質(zhì)叫做絕緣體，如：橡膠、塑料、玻璃、云母、陶瓷、純水、油、空氣等都是絕緣體。所謂半導(dǎo)體是指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。如：硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅等。半導(dǎo)體大體上可以分為兩類，即本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體，這里的純凈包括兩個意思，一是指半導(dǎo)體材料中只含有一種元素的原子；二是指原子與原子之間的排列是有一定規(guī)律的。本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)是導(dǎo)電能力極弱，且隨溫度變化導(dǎo)電能力有顯著變化。雜質(zhì)半導(dǎo)體是指人為地在本征半導(dǎo)體中摻入微量其他元素（稱雜質(zhì)）所形成的半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩

10、類：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。2半導(dǎo)體材料的特征有哪些？（1）導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。（2）當(dāng)其純度較高時，電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為正值，隨溫度升高電導(dǎo)率增大；金屬導(dǎo)體則相反，電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為負(fù)值。（3）有兩種載流子參加導(dǎo)電，具有兩種導(dǎo)電類型：一種是電子，另一種是空穴。同一種半導(dǎo)體材料，既可形成以電子為主的導(dǎo)電，也可以形成以空穴為主的導(dǎo)電。（4）晶體的各向異性。3簡述N型半導(dǎo)體。常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要由雜質(zhì)來決定。當(dāng)半導(dǎo)體中摻有施主雜質(zhì)時，主要靠施主提供電子導(dǎo)電，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體。例如：硅中摻有V族元素雜質(zhì)磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）時，稱為N型半導(dǎo)體

11、。簡述P型半導(dǎo)體。當(dāng)半導(dǎo)體中摻有受主雜質(zhì)時，主要靠受主提供空穴導(dǎo)電，這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體。例如：硅中摻有III族元素雜質(zhì)硼（B）、鋁（AI）、鎵（Ga）、銦（In）時，稱為P型半導(dǎo)體。什么是半絕緣半導(dǎo)體材料？定義電阻率大于107*cm的半導(dǎo)體材料稱為半絕緣半導(dǎo)體材料。女如摻Cr的砷化鎵，非摻雜的砷化鎵為半絕緣砷化鎵材料。摻Fe的磷化銦，非摻雜的磷化銦經(jīng)退火為半絕緣磷化銦材料。什么是單晶、多晶？單晶是原子或離子沿著三個不同的方向按一定的周期有規(guī)則地排列，并沿一致的晶體學(xué)取向所堆垛起來的遠(yuǎn)程有序的晶體。多晶則是有多個單晶晶粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學(xué)取向彼此不同，其周

12、期性與規(guī)則性也在此處受到破壞。常用半導(dǎo)體材料的晶體生長方向有幾種？我們實(shí)際使用單晶材料都是按一定的方向生長的，因此單晶表現(xiàn)出各向異性。單晶生長的這種方向直接來自晶格結(jié)構(gòu)，常用半導(dǎo)體材料的晶體生長方向是111和100。規(guī)定用111和100表示晶向，用（111）和（100）表示晶面。8什么是電導(dǎo)率和電阻率？所有材料的電導(dǎo)率（O）可用下式表達(dá)：o=nep其中n為載流子濃度，單位為cm-3；e為電子的電荷，單位為C（庫侖）；p為載流子的遷移率，單位為cm2/V*s；電導(dǎo)率單位為S/cm（S為西門子）。電阻率p=l/o，單位為Q*cm9PN結(jié)是如何形成的？它具有什么特性？如果用工藝的方法，把一邊是N型半

13、導(dǎo)體另一邊是P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，這時N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子電子就要向P型半導(dǎo)體一邊滲透擴(kuò)散。結(jié)果是N型區(qū)域中鄰近P型區(qū)一邊的薄層A中有一部分電子擴(kuò)散到P型區(qū)域中去了，如圖2-6所示（圖略）。薄層A中因失去了這一部分電子而帶有正電。同樣，P型區(qū)域中鄰近N型區(qū)域一邊的薄層B中有一部分空穴擴(kuò)散到N型區(qū)域一邊去了，如圖2-7所示（圖略）。結(jié)果使薄層B帶有負(fù)電。這樣就在N型和P型兩種不同類型半導(dǎo)體的交界面兩側(cè)形成了帶電薄層A和B（其中A帶正電，B帶負(fù)電）。A、B間便產(chǎn)生了一個電場，這個帶電的薄層A和B，叫做PN結(jié)，又叫做阻擋層。當(dāng)P型區(qū)域接到電池的正極，N型區(qū)域接到電池的負(fù)極時，漂移和擴(kuò)散的動態(tài)平衡

14、被破壞，在PN結(jié)中流過的電流很大（這種接法稱為正向連接）。這時，電池在PN結(jié)中所產(chǎn)生的電場的方向恰好與PN結(jié)原來存在的電場方向相反，而且外加電場比PN結(jié)電場強(qiáng)，這兩個電場疊加后電場是由P型區(qū)域指向N型區(qū)域的。因此，PN結(jié)中原先存在的電場被削弱了，阻擋層的厚度減小了，所以正向電流將隨著外加正向電壓的增加而迅速地上升。當(dāng)P型區(qū)域接到電池的負(fù)極，N型區(qū)域接到電池的正極時，在PN結(jié)中流過的電流很?。ㄟ@種接法稱為反向連接）。這是由于外加電壓在PN結(jié)中所產(chǎn)生的電場方向是由N型區(qū)指向P型區(qū)，也即與原先在PN結(jié)中存在的電場方向是一致的。這兩個電場疊加的結(jié)果，加強(qiáng)了電場阻止多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動，此時，阻擋層的厚

15、度比原來增大，原來漂移和擴(kuò)散的動態(tài)平衡也被破壞了，漂移電流大于擴(kuò)散電流，正是這個電流造成反向漏電流。PN結(jié)的這種性質(zhì)叫做單向?qū)щ娦?。何謂PN結(jié)的擊穿特性？對PN結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值時，反向電流突然開始迅速增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿。發(fā)生擊穿時的反向偏壓稱為擊穿電壓，以Vb表示。擊穿現(xiàn)象中，電流增大基本原因不是由于遷移率的增大，而是由于載流子數(shù)目的增加。到目前為止，基本上有三種擊穿機(jī)構(gòu)：熱電擊穿、雪崩擊穿和隧道擊穿。從擊穿的后果來看，可以分為物理上可恢復(fù)的和不可恢復(fù)的擊穿兩類。熱電擊穿屬于后一類情況，它將造成PN結(jié)的永久性損壞，在器件應(yīng)用時應(yīng)盡量避免發(fā)生此類擊穿。雪崩擊穿和隧道擊穿屬

16、于可恢復(fù)性的，即撤掉電壓后，在PN結(jié)內(nèi)沒有物理損傷。試述什么是光電二極管。當(dāng)光照到PN結(jié)上時，光能被吸收進(jìn)入晶格，使電子的能級提高，這就導(dǎo)致某些電子脫離它們的原子，因此產(chǎn)生了自由電子與空穴。在光電導(dǎo)光電二極管中，在PN結(jié)上加一反向電壓，由光能在結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生了電子與空穴，它們被電場吸引從相反的方向穿過結(jié)形成電流，電流從負(fù)載電阻流出產(chǎn)生了輸出信號。光的強(qiáng)度越高，產(chǎn)生的空穴與自由電子就越多，電流也就越大。沒有光時，電流只有PN結(jié)的小的反向漏電流,這種電流稱為暗電流。12何謂歐姆接觸？金屬與半導(dǎo)體間沒有整流作用的接觸稱為歐姆接觸。實(shí)際上的歐姆接觸幾乎都是采用金屬-N+N半導(dǎo)體或金屬-p+p半導(dǎo)體的形式

17、制成的。在這種接觸中，金屬與重?fù)诫s的半導(dǎo)體區(qū)接觸，接觸界面附近存在大量的復(fù)合中心，而且電流通過接觸時的壓降也往往小到可以不計。制造歐姆接觸的方法有兩種。如果金屬本身是半導(dǎo)體的施主或受主元素，而且在半導(dǎo)體中有高的固溶度，就用合金法直接在半導(dǎo)體中形成金屬-N+或金屬-P+區(qū)。如果金屬本身不是施主或受主元素，可在金屬中摻入施主或受主元素，用合金法形成歐姆接觸。另一種方法是在半導(dǎo)體中先擴(kuò)散形成重?fù)诫s區(qū)，然后使金屬與半導(dǎo)體接觸，形成歐姆接觸。13遷移率表示什么？遷移率是反映半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要因素。摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)率一方面取決于摻雜的濃度，另一方面取決于遷移率的大小。同樣的摻雜濃度，載流子的遷移

18、率越大，材料的電導(dǎo)率就越高。遷移率大小不僅關(guān)系著導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，而且直接決定載流子運(yùn)動的快慢。它對半導(dǎo)體器件工作速度有直接的影響。不同的材料，電子和空穴的遷移率是不同的。載流子的遷移率是隨溫度而變化的。這對器件的使用性能有直接的影響。載流子的遷移率受晶體散射和電離雜質(zhì)散射的影響。載流子的遷移率與晶體質(zhì)量有關(guān)，晶體完整性好，載流子的遷移率高。14什么是方塊電阻？我們知道一個均勻?qū)w的電阻R正比于導(dǎo)體的長度L,反比于導(dǎo)體的截面積S。如果這個導(dǎo)體是一個寬為W、厚度為d的薄層，則R=pL/dW=（p/d）（L/W）可以看出，這樣一個薄層的電阻與（L/W）成正比，比例系數(shù)為（p/d）。這個比例系數(shù)就叫做方塊電阻,用R表示：R=p/dR=R口（L/W）R的單位為歐姆，通常用符號Q/表示。從上式可以看出，當(dāng)L=W時有R=R，這時R表示一個正方形薄層的電阻，它與正方形邊長的大小無關(guān)，這就是取名方塊電阻的原因。15什么是晶體缺陷？晶體內(nèi)的原子是按一定的原則周期性地排列著的。如果在晶體中的一些區(qū)域，這種排列遭到破壞，我們稱這種破壞為晶體缺陷。晶體缺陷對半導(dǎo)體材料的使用性影響很大，在大多數(shù)情況下，它使器件性能劣化直至失效。因此在材料的制備過程中都要盡量排除缺陷或降低其密度。晶體缺陷的控制是材料制備的重要技術(shù)之一。晶體缺陷的分類：（1）點(diǎn)缺陷，如空位、間隙原子、反位缺陷、替位缺陷和由它們構(gòu)成的復(fù)