UANUNINERSIT 复旦大学电子工程系 陈光梦 05 第2章 半导体器件 味
复旦大学电子工程系 陈光梦 第 2 章 半导体器件
复旦大学电子工程系陈光梦 半导体基础知识 半导体材料的结构与特点 载流子及其运动 PN结 2013/9/22 模拟电子学基础 2
2013/9/22 模拟电子学基础 2 复旦大学电子工程系 陈光梦 半导体基础知识 半导体材料的结构与特点 载流子及其运动 PN结
复旦大学电子工程系陈光梦 半导体材料 Si,Ge,GaAs,... ·4价元素或化合 物 ·电阻率介于导体 与绝缘体之间 ·具有类似的结构 2013/9/22 模拟电子学基础 3
2013/9/22 模拟电子学基础 3 复旦大学电子工程系 陈光梦 半导体材料 Si,Ge,GaAs,... 4价元素或化合 物 电阻率介于导体 与绝缘体之间 具有类似的结构
复旦大学电子工程系陈光梦 本征半导体 4价元素，外层有4个电子 每个原子与周围4个原子形成共价键 本征激发：价电子受热（或光照）获得能量 脱离共价键→载流子（电子与空穴） >由于本征激发的载流子浓 度不高，所以本征半导体 材料的电阻率较高 +4 +4 +4 自由电子 >由于本征激发受温度与光 照的影响较大，所以本征 十4 +4 +4 半导体材料的电阻率对于 温度和光照敏感 2013/9/22 模拟电子学基础 4
2013/9/22 模拟电子学基础 4 复旦大学电子工程系 陈光梦 本征半导体 4价元素，外层有4个电子 每个原子与周围4个原子形成共价键 本征激发：价电子受热（或光照）获得能量 → 脱离共价键 → 载流子（电子与空穴） +4 空穴 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 由于本征激发的载流子浓 度不高，所以本征半导体 材料的电阻率较高 由于本征激发受温度与光 照的影响较大，所以本征 半导体材料的电阻率对于 温度和光照敏感
复旦大学电子工程系陈光梦 杂质半导体 施主杂质 口V族元素 +4 +4 +4 自由电子 口共价键多余1个电子 口材料中电子多于空穴 +5 +4 十4 口N型半导体 ·受主杂质 口川族元素 +4 +4 +4 口共价键缺少1个电子 口材料中空穴多于电子 至穴 +3 口P型半导体 2013/9/22 模拟电子学基础 5
2013/9/22 模拟电子学基础 5 复旦大学电子工程系 陈光梦 杂质半导体 施主杂质 V族元素 共价键多余1个电子 材料中电子多于空穴 N型半导体 受主杂质 III族元素 共价键缺少1个电子 材料中空穴多于电子 P型半导体 +4 空穴 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 自由电子
复旦大学电子工程系陈光梦 杂质半导体中的载流子浓度 多数载流子（简称多子）基本上由掺杂形 成，所以多子浓度接近掺杂浓度 ·少数载流子（简称少子）由本征激发形成 多子浓度远大于少子浓度 若在一块半导体材料中同时掺入施主杂质 0 和受主杂质，则产生杂质补偿作用，杂质 半导体的特性由掺杂浓度高的杂质所决定 2013/9/22 模拟电子学基础 6
2013/9/22 模拟电子学基础 6 复旦大学电子工程系 陈光梦 杂质半导体中的载流子浓度 多数载流子（简称多子）基本上由掺杂形 成，所以多子浓度接近掺杂浓度 少数载流子（简称少子）由本征激发形成 多子浓度远大于少子浓度 若在一块半导体材料中同时掺入施主杂质 和受主杂质，则产生杂质补偿作用，杂质 半导体的特性由掺杂浓度高的杂质所决定
复旦大学电子工程系陈光梦 载流子的运动 ■扩散 口载流子浓度梯度作用下载流子定向运动 口扩散电流的大小取决于载流子浓度梯度以及载 流子的扩散系数 ■漂移 口外电场作用下的载流子定向运动 口迁移率：平均漂移速度的比例因子，空穴和电 子的迁移率分别记为'和n 2013/9/22 模拟电子学基础 7
2013/9/22 模拟电子学基础 7 复旦大学电子工程系 陈光梦 载流子的运动 扩散 载流子浓度梯度作用下载流子定向运动 扩散电流的大小取决于载流子浓度梯度以及载 流子的扩散系数 漂移 外电场作用下的载流子定向运动 迁移率：平均漂移速度的比例因子，空穴和电 子的迁移率分别记为μp和μn
复旦大学电子工程系陈光梦 PN结 ·利用杂质补偿原理，在P型和N型半导体的界面上 形成PN结 口在PN结的界面上发生载流子的扩散 ·由于复合作用，界面上载流子被耗尽（耗尽层） 2013/9/22 模拟电子学基础 8
2013/9/22 模拟电子学基础 8 复旦大学电子工程系 陈光梦 P N PN结 利用杂质补偿原理，在P型和N型半导体的界面上 形成PN结 在PN结的界面上发生载流子的扩散 由于复合作用，界面上载流子被耗尽（耗尽层）
复旦大学电子工程系陈光梦 耗尽层内由于离子带电形成空间电荷区 空间电荷形成内建电场 内建电场引起的漂移运动与扩散运动方向相反，最 终阻止载流子的进一步移动 内建电场 P N 空间电荷区 2013/9/22 模拟电子学基础 9
2013/9/22 模拟电子学基础 9 复旦大学电子工程系 陈光梦 耗尽层内由于离子带电形成空间电荷区 空间电荷形成内建电场 内建电场引起的漂移运动与扩散运动方向相反，最 终阻止载流子的进一步移动 + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - P N 内建电场 空间电荷区
复旦大学电子工程系陈光梦 PN结的势垒高度 由于空间电荷区存在内建电场，电子在各处的电 势能不同，形成势垒 电子电势能 P区 N区 空间电荷区 电子电势能高 电子电势能低 0000O0 kT, In- AND=VIn NAND 2 ≈-2m/°C n dT 2013/9/22 模拟电子学基础 10
2013/9/22 模拟电子学基础 10 复旦大学电子工程系 陈光梦 PN结的势垒高度 由于空间电荷区存在内建电场，电子在各处的电 势能不同，形成势垒 P区 N区 空间电荷区 电子电势能 电子电势能低 电子电势能高 qVB 2 2 ln ln A D AD B T i i kT NN NN V V qn n mV/ C dT dVB 2