第一章半导体基本器件及应用电路 §1.1半导体材料及导电特性 §12PN结原理 §13晶体二极管及应用 §14双极型晶体管 返回
第一章 半导体基本器件及应用电路 §1.1 半导体材料及导电特性 §1.2 PN结原理 §1.4 双极型晶体管 §1.3 晶体二极管及应用 返回
1.1半导体材料及导电特性 引言 1.1.1本征半导体 1。1.2杂质半导体 1.13漂移电流与扩散电流 返回
1.1半导体材料及导电特性 1.1 .1 本征半导体 1. 1 . 2 杂质半导体 1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流 引言 返回
1半导体材料及导电特性 引言: 1.什么是半导体:电阻率p介于导体和绝缘体之间 固体按导电性能上可分为三类: 导体:p10292cm如:云母、陶瓷 半导体:p=10-3~10°2Cm 如:硅S( Silicon) p=10392cm Wa Ge(Germanium) p=4.71092cm 砷化镓GaAs p=1092cm 2.注意p的单位:sCm 定义:p=R=Cm J2●cn c 3.半导体具有其它特性: 对p影响较大的因素:杂质,温度,光照 返回
引言： １． 什么是半导体：电阻率 ρ 介于导体和绝缘体之间 固体按导电性能上可分为三类： 导体： ρ＜10－4 Ω . cm 如：金、银、铜、铝 绝缘体： ρ＞1012Ω . cm 如：云母、陶瓷 半导体: ρ=10－3 ~109 Ω 。 Cm 如： 硅 Si(Silicon) ρ=105 Ω . cm 锗 Ge(Germanium) ρ=4.7103 Ω . cm 砷化镓 GaAs ρ=109 Ω . cm 2 . 注意 ρ 的单位：Ω 。 Cm 定义： cm cm cm l A R 2 = = = • 3 . 半导体具有其它特性： 对 ρ 影响较大的因素：杂质 ，温度，光照 1.1半导体材料及导电特性 返回
1.11本征半导体 定义没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体 ()本征半导体的共价键结构 1si、Ge原子结构模型 si(14)和Ge(32因外 层都有4个价电子,由 于外层价电子受原子核 +l4 的束缚力小,许多物理 现象是由外层价电子数 价电孑 决定,为了更方便研究 价电子的作用常把原子 +4 惯性接。 核和内层电子看作一个 整体称为惯性核。 返回
1.1 .1 本征半导体 定义:没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体. (一)本征半导体的共价键结构 1 S i 、G e 原子结构模型 + 14 + 32 + 4 + 4 惯性核 S i(14)和 G e(32)因外 层都有 4 个价电子，由 于外层价电子受原子核 的束缚力小，许多物理 现象是由外层价电子数 决定，为了更方便研究 价电子的作用常把原子 核和内层电子看作一个 整体,称为惯性核。 价电子 返回
1.1.1本征半导体( intrinsic semiconductor) 在si或Ge单晶体中,价电子处于束 缚状态,其能量较低,处于较低的能带称为a+4)+(+ 价带。而自由电子处较高的能带称为导带 由于价电子至少要获得E的能量才能挣脱共。+4)(+04 价键的束缚成为自由电子,因此自由电子所 占有的最低能级要比价电子可能占有的最高_++a 能级高出E于是s(或Ge)晶体中的 能量分布中有一段间隙不可能被电子所占 电子能量 有。其宽度为匡。,称为禁带宽度, E。一般与半导体材料和温度T有关: 一兽霧 T=0k(273.16°c)时 T=300k(室温) °Eg禁带 Ego (si)=1.21 ev Easi=1.12ev Ego(Ge)=0.785 ev E(G。)=0.72e 。份带一 返回
2 共价键结构 1.1 .1 本征半导体（intrinsic semiconductor） 当 S i（或 G e）原子组成单晶体后，各 原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间 靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要 受相邻原子的作用， 量子力学证明：原子中电子具有的能量 状态是离散的，量子化的，每一个能量状态 对应于一个能级，一系列能级形成能带。 根据原子的理论：原子外层电子有 8 个才 能处于稳定状态。 因此 S i（或 G e）单晶体每个原子都从四周 相邻原子得到 4 个价电子才能组成稳定状态。即 每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个 原子都共用一对价电子。形成共价键结构。 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 在 S i 或 G e 单晶体中，价电子处于束 缚状态，其能量较低，处于较低的能带称为 价带。而自由电子处较高的能带称为导带。 由于价电子至少要获得 E g 的能量才能挣脱共 价键的束缚成为自由电子，因此自由电子所 占有的最低能级要比价电子可能占有的最高 能级高出 E g。于是 S i（或 G e）晶体中的 能量分布中有一段间隙不可能被电子所占 有。其宽度为 E g，称为禁带宽度。 E g一般与半导体材料和温度 T 有关： T=0k (-273.160 c) 时， T=300k （室温） Eg0 (Si)=1.21 ev E g(S i)=1.12ev Eg0 (Ge)=0.785 ev E g(G e)=0.72e 电子能量 Eg 禁带 导带 价带 返回
(二)本征激发和两种载流子 ②在常温下本征半导体内有两种载流子: 载流子:物体内运载电荷的粒子,决定于物体的。+(+Q(+ 导电能力。 自由电子载流子:带单位负电 +4)◎(+4◎+ 空穴载流子:带单位正电 °°°° 在外电场作用下电子、空穴运动方向相反,对a+(+44 电流的贡献是迭加的。 注意: 电子能量 ①在本征激发(或热激发)中,电子、空穴成对产生 a:空穴带正电量 导荐 b:空穴是半导体中所特有的带单位 空穴:正电荷的粒子,与电子电量相等 符号相反 C:空穴在价带内运动,也是一种载 流子。在外电场作用下可在晶体内 价带 定向移动 返回
１ T=0k 且无外界其它能量激发时，Eg0 较大， 价电子全部束缚在共价键中，导带中无自由 电子。（此时的本征半导体相当与绝缘体） 2 本征激发： T↑（or 光照） 价电子获得能量 跃迁导带 自由电子~位 于导 带 空穴 ~位于价带 E g + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 （二）本征激发和两种载流子 电子能量 Eg 禁带 导带 价带 注意： ①在本征激发（或热激发）中，电子、空穴成对产生 a:空穴带正电量 b：空穴是半导体中所特有的带单位 正电荷的粒子，与电子电量相等， 符号相反 c：空穴在价带内运动，也是一种载 流子。在外电场作用下可在晶体内 定向移动 空穴： 载流子：物体内运载电荷的粒子，决定于物体的 导电能力。 自由电子载流子：带单位负电 空穴载流子 ：带单位正电 在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，对 电流的贡献是迭加的。 ②在常温下本征半导体内有两种载流子： 返回
(三)本征载流子( intrinsic carrier)浓度 由上式:T↑→norp)↑→导电能力↑可制作热敏元件 影响半导体器件的稳定性 另外光照→n(orp)↑→导电能力↑→可制作光电器件 若设n为电子浓度,p为空穴浓度 本征载流子浓度:n=P=AT32exp(Ep2kT 其中:A为常数,与半导体材料有关: si:A=388×10(cm3k2) Ge:A=176×101°(cm3k2 k为玻耳兹曼常数k=138×102Jk) T=300k(室温)Si:n;=p1~15×1019cm3 Ge:n=p≈~24×1013cm 返回
（三）本征载流子（intrinsic carrier）浓度 本征激发 电子 空穴 E g 1 电子 空穴 随机碰撞 复合 2 （自由电子释放能量）电子空穴对消失 3 本征激发 动态平衡 复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式。 在本征半导体中电子和空穴的浓度总是相等的 若设ni为电子浓度，pi为空穴浓度 本征载流子浓度：ni =pi =Ao T 3/2exp(-Eg0/2kT) 其中：Ao为常数，与半导体材料有关： Si: Ao =3.88×1016(cm-3.k-2/3) Ge: Ao =1.76×1016(cm-3.k-2/3) k 为玻耳兹曼常数 k=1.38×10-23(J. k -1) 当 T=300k（室温） Si: ni =pi≈1.5×1010/cm3 Ge: ni =pi≈2.4×1013/cm 由上式： T↑→ni (or pi )↑→导电能力↑ 可制作热敏元件 影响半导体器件的稳定性 另外 光照→ni (orpi ) ↑→导电能力 ↑→ 可制作光电器件 返回
1.1.2杂质半导体( donor and acceptor impurities 实际上,制造半导体器件的材料并不是本征半导体,而是人为地掺入 定杂质成份的半导体 什么是杂质半导体:人为地掺入一定杂质成份的半导体 2为什么要掺杂:提高半导体的导电能力 例如:S本征半导体(T=300k): n=P=1.5X1010/cm3 3.3X1012分之 原子密度496X102cm3 故:本征半导体的导电能力很弱。 在本征半导体中掺入不同种类的杂质可以改变半导体中两 种载流子的浓度。 根据掺入杂质的种类可分为: N型半导体(掺入5价元素杂质) P型半导体(掺入3价元素杂质) 返回
1. 1 . 2 杂质半导体（donor and acceptor impurities） 实际上，制造半导体器件的材料并不是本征半导体，而是人为地掺入一 定杂质成份的半导体 1 什么是杂质半导体：人为地掺入一定杂质成份的半导体 2 为什么要掺杂：提高半导体的导电能力 例如：Si 本征半导体（T＝300k）： ni =pi =1.5X1010／cm3 原子密度 4.96X1022/cm3 3.3X1012分之一 故：本征半导体的导电能力很弱。 3 在本征半导体中掺入不同种类的杂质可以改变半导体中两 种载流子的浓度。 根据掺入杂质的种类可分为： N 型半导体 （掺入 5 价元素杂质） P 型半导体 （掺入 3 价元素杂质） 返回
(一)N型半导体( N Type semiconductor) 在N型半导体中: Q+4a+4Q(+4Q 自由电子→多数载流子(多子)。且多数载流子浓度>>n 空穴→少数载流子(少子)。少数载流子浓度<<p +4)◎Q(+5)◎+4 N型杂质半导体的特点: Q+4)Qo(+4。Q+4)o 1、与本征激发不同,施主原子在提供多余电子的同时并 不产生空穴,而成为正离子被束缚在晶格结构中,不能自由 电子能量 移动,不起导电作用。 2、在室温下,多余电子全部被激发为自由电子,故N型 半导体中自由电子数目很高(浓度大),主要靠电子导电。 称为电子半导体。 施主能级999Eg禁带 3、在N型半导体中同样也有本征激发产生的电子空 穴对,但数量很小,自由电子浓度远大于空穴浓度。 价带 返回
（一）N型半导体（N Type semiconductor） + 4 + 4 + 4 + 4 + 5 + 4 + 4 + 4 + 4 在本征半导体中掺入 5 价元素的杂质 （砷、磷、锑）就成为 N 型杂质半 导体。 杂质原子→能提供多余电子→称为施主杂质 →多余电子→位于施主能级 （进入导带）成为自由电子 室温 T=300k 电子能量 Eg禁带 导带 价带 施主能级 + + + N 型杂质半导体的特点： 1、 与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时并 不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由 移动，不起导电作用。 2、在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故 N 型 半导体中自由电子数目很高（浓度大）,主要靠电子导电。 称为电子半导体。 3、在 N 型半导体中同样也有本征激发产生的电子空 穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。 + 在 N 型半导体中： 自由电子→多数载流子（多子）。且多数载流子浓度＞＞ni 空穴→少数载流子（少子）。 少数载流子浓度＜＜pi +5 返回
(二)P型半导体( P type semiconductor 2在室温下3价受主原子产生的空位全部可被激发为价 带中的空穴,故P型半导体中空穴数很高,主要靠空穴。)a(+a+a 导电。称为空穴半导体 3P型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对,但由 于复合作用,电子数目很小,空穴的浓度远大于电子浓度。·④+ P型半导体:多子一空穴且多子浓度>>p ● 少子→电子 少子浓度<<n1 4)Q+4)QQ+4)Q二 激发产生的空穴一样可以自由运动。对半导体的导电有贡献 电子能量 杂质产生(空位)→受主能级接受 在价带中形成空穴→晶格中留下负离子 P型半导体的特点:电子 导带 1、与本征激发不同。受主原子接受电子在 价带中产生一个空穴,但并不在导带中产受主纸 E禁带 生电子,而在晶格中留下一个负离子。负 价带 离子不能自由移动,不起导电作用。 返回
（二）P型半导体（P type semiconductor） 电子能量 Eg禁带 导带 价带 受主能级 - - - 在本征半导体中掺入 3 价元素（如 B 硼）， 就成为 P 型半导体。 3 价杂质原子→接受电子→负离子→受主杂质（acceptor impurity） →（受主原子）→位于受主能级 产生空位（位于价带） 室温 T=300k 带负电离子与带正电空穴间有吸引力，即空穴是受束缚 的，只能在负离子附近活动。但只要赋予它一定的能量， 它挣脱束缚运动到远离负离子的地方，该空穴就和本征 激发产生的空穴一样可以自由运动。对半导体的导电有贡献。 杂质产生（空位）→受主能级 在价带中形成空穴→晶格中留下负离子 接受 电子 P型半导体的特点： 1、 与本征激发不同。受主原子接受电子在 价带中产生一个空穴，但并不在导带中产 生电子，而在晶格中留下一个负离子。负 离子不能自由移动，不起导电作用。 2 在室温下 3 价受主原子产生的空位全部可被激发为价 带中的空穴，故 P 型半导体中空穴数很高，主要靠空穴 导电。称为空穴半导体。 + 4 + 4 + 4 + 4 + 3 + 4 + 4 + 4 + 4 - 3 P 型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对，但由 于复合作用，电子数目很小，空穴的浓度远大于电子浓度。 P 型半导体： 多子 →空穴 且：多子浓度＞＞pi 少子 →电子 少子浓度＜＜ni 返回
