電子技術基礎-1.0 半導體器件基礎知識

半導體器件基礎知識赤壁市機電信息技術學校楊展email:492480981@目錄『contents』1導體、半導體、絕緣體32本征半導體3摻雜半導體2110一、導體、半導體和絕緣體3物質分類

根據(jù)物質導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。

導體：ρ<10－6Ω·m

絕緣體：ρ>108Ω·m

半導體：10－6Ω·m<ρ<108Ω·m一、導體、半導體和絕緣體4物質分類

導體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。

絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。

半導體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。一、導體、半導體和絕緣體52.物質導電能力有差異的內(nèi)因

繞原子核高速旋轉的核外電子帶負電。

自然界的一切物質都是由分子、原子組成的。原子又由一個帶正電的原子核和在它周圍高速旋轉著的帶有負電的電子組成。正電荷負電荷=原子結構中：原子核＋原子核中有質子和中子，其中質子帶正電，中子不帶電。一、導體、半導體和絕緣體62.物質導電能力有差異的內(nèi)因

導體的最外層電子數(shù)通常是1-3個，且距原子核較遠，因此受原子核的束縛較小。由于溫度升高、振動等外界的影響，導體的最外層電子會獲得一定能量，掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子。因此，導體在常溫下存在大量的自由電子，具有良好的導電能力。常用的導電材料有銀、銅、鋁、金等。

原子核＋導體的特點：內(nèi)部含有大量的自由電子一、導體、半導體和絕緣體72.物質導電能力有差異的內(nèi)因

絕緣體的最外層電子數(shù)一般為6-8個，且距原子核較近，因此受原子核的束縛力較強而不易掙脫其束縛。常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子，因此導電能力極差或不導電。常用的絕緣體材料有橡膠、云母、陶瓷等。原子核＋絕緣體的特點：內(nèi)部幾乎沒有自由電子，因此不導電。一、導體、半導體和絕緣體82.物質導電能力有差異的內(nèi)因

半導體的最外層電子數(shù)一般為4個，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導體和絕緣體之間，因而在常溫下半導體的導電能力也是介于導體和絕緣體之間。

常用的半導體材料有硅、鍺、硒等。

半導體的特點：

雖然導電性能介于導體和絕緣體之間，但是具有其獨特的性能。原子核＋一、導體、半導體和絕緣體93.半導體的特性(1)熱敏性：導體的導電能力對溫度反應靈敏，受溫度影響大。當環(huán)境溫度升高時，其導電能力增強，稱為熱敏性。利用熱敏性可制成熱敏元件。(2)光敏性：導體的導電能力隨光照的不同而不同。當光照增強時，導電能力增強，稱為光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)摻雜性：導電能力受雜質影響極大，雜質濃度越高導電能力越強，稱為摻雜性。二、本征半導體10++Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡化模型圖Si+4Ge+4因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可。

最常用的半導體為硅(Si)（原子序數(shù)14）和鍺(Ge)（原子序數(shù)32），它們的共同特征是四價元素，即每個原子最外層電子數(shù)為4個。1.硅和鍺的原子簡化模型二、本征半導體11本征半導體——不含任何雜質晶格結構完整的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“99純度”。2.本征半導體二、本征半導體123.硅晶體結構圖二、本征半導體13+4價電子+4二、本征半導體144.本征半導體的共價鍵結構

把硅和鍺材料制成單晶體時，相鄰兩個原子的一對最外層電子成為共有電子，它們一方面圍繞自身的原子核運動，另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，即價電子不僅受到自身原子核的作用，同時還受到相鄰原子核的吸引。于是，相鄰的原子共有一對價電子，組成共價鍵結構。每一個原子均與相鄰的四個原子結合，即與相鄰四個原子的價電子兩兩組成四對電子對。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4實際上半導體的晶格結構是三維的。晶格結構共價鍵結構二、本征半導體4.本征半導體的共價鍵結構在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。15二、本征半導體5.本征半導體中的本征激發(fā)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價鍵晶格結構來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。

受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)的結果，造成了半導體內(nèi)部自由電子載流子運動的產(chǎn)生，由此本征半導體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。

由于共價鍵的束縛作用，這些帶正電的離子不會移動，即不能參與導電，成為晶體中固定不動的帶正電離子。＋＋16二、本征半導體6.本征半導體中的自由電子-空穴對復合＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進空穴，使失電子的原子重新恢復電中性。

價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為復合。

參與復合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復合運動稱為空穴載流子運動。此時整個晶體帶電嗎？為什么？17二、本征半導體7.本征半導體的導電機制

自由電子載流子運動可以形容為沒有座位人的移動；空穴載流子運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動。半導體內(nèi)部的這兩種運動總是共存的，且在一定溫度下達到動態(tài)平衡。自由電子運動方向：D—C—B--A?？昭ㄟ\動方向：A—B—C—D二者運動方向相反18二、本征半導體7.本征半導體的導電機制自由電子：帶負電荷，逆電場運動，形成電子流載流子空穴：帶正電荷，順電場運動，形成空穴流因為二者都是攜帶電荷的粒子，所以統(tǒng)稱為載流子。

半導體的導電機理與金屬導體導電機理有本質上的區(qū)別：金屬導體中只有自由電子一種載流子參與導電；而半導體中則是本征激發(fā)下的自由電子和復合運動形成的空穴兩種載流子同時參與導電。兩種載流子電量相等、符號相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運動方向相反。19二、本征半導體本征激發(fā)的幾點說明：1.空穴與電子是成對出現(xiàn)的，稱為電子—空穴對。其自由電子和

空穴數(shù)目總是相等的。所以整塊晶體仍然呈電中性。2.溫度越高，光照能量越強，產(chǎn)生的電子—空穴對數(shù)目就越多，

這就是半導體的熱敏性和光敏性。3.在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電

子空穴對的濃度一定。4.本征半導體的導電性能很差，而且和環(huán)境溫度光照密切相關，

因此導電性能很不穩(wěn)定。5.空穴只是價電子跳出共價鍵之后留下的空位，并不是實粒子。

只在半導體中存在。20三、摻雜半導體

本征半導體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少導電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量雜質，將使摻雜后的雜質半導體的導電性能大大增強。

雜質半導體主要靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。摻雜半導體{N型半導體：摻入五價元素后形成的半導體，自由電子濃度大大升高。主要靠自由電子導電。P型半導體：摻入三價元素后形成的半導體，空穴濃度大大升高。主要靠空穴導電。

一般情況下，雜質半導體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質半導體比本征半導體的導電能力可增強幾十萬倍。21三、摻雜半導體1.N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。22三、摻雜半導體1.N型半導體+五價元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P摻入磷雜質的硅半導體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導體的導電主流。

摻入五價元素的雜質半導體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為電子型半導體，也叫做N型半導體。在P型半導體中，不能移動的離子帶正電。2324多余電子磷原子硅原子++++++++++++N型半導體施主離子自由電子電子空穴對三、摻雜半導體1.N型半導體1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.由于熱激發(fā)仍成對產(chǎn)生電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。24三、摻雜半導體2.P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可以吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。25三、摻雜半導體2.P型半導體＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價元素硼(B)B+摻入硼雜質的硅半導體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導體的導電主流。

摻入三價元素的雜質半導體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導體，也叫做P型半導體。在P型半導體中，不能移動的離子帶負電。－26三、摻雜半導體2.P型半導體空穴硼原子硅原子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對1.由受主原子提供的空穴，濃度與受主原子相同。2.由于熱激發(fā)仍成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，空穴濃度遠大于自由電子濃度?？昭ǚQ為多數(shù)載流子（多子），自由電子稱為少數(shù)載流子（少子）。27三、摻雜半導體3.摻雜半導體的幾點說明1.對于雜質半導體，多子的濃度越高，少子的濃度就越低。2.多子的濃度約等于所摻雜質原子的濃度，故受溫度變化的

影響很??；少子由本征激發(fā)而成，盡管其濃度很低，但溫

度變化時，其濃度的變化很大，其濃度主要取決于溫度。

故少子對器件性能的影響卻不“少”。3.N型：自由電子數(shù)目=空穴數(shù)目+正離子數(shù)目P型：空穴數(shù)目=自由電子數(shù)目+負離子數(shù)目4.雜質半導體中多數(shù)載流子濃度主要取決于摻入的雜質濃度，

因為每摻入一個雜質原子就可以增加一個多數(shù)載流子。5.摻雜半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量

的關系，起導電作用的主要是多子。整個半導體晶體仍然呈電中性。28三、摻雜半導體4.載流子的漂移運動和擴散運動29高濃度低濃度載流子由于兩側濃度差異而產(chǎn)生的運動

由于分子等的熱運動而產(chǎn)生的物質遷移現(xiàn)象。通常是由濃度差所引起的，從濃度較高的區(qū)域向較低的區(qū)域進行擴散，直到濃度達到均勻為止擴散運動三、摻雜半導體4.載流子