第一章半导体器件基础 教学时数:8学时 重点与难点: 1、PN结的原理和二极管的等效电路。 2、半导体内部载流子运动规律。 3、晶体二极管、晶体三极管、结型场效应 管、绝缘栅型场应管的工作原理和特性曲 线
1 第一章 半导体器件基础 ▪教学时数：8学时 ▪重点与难点： ▪1、PN结的原理和二极管的等效电路。 ▪2、半导体内部载流子运动规律。 ▪3、晶体二极管、晶体三极管、结型场效应 管、绝缘栅型场应管的工作原理和特性曲 线
11￥导体基础知识 11.1本征半导体 根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分导体、绝 缘体和半导体。 1.导体:容易导电的物体。 2.绝缘体:几乎不导电的物体。 2
2 §1.1 半导体基础知识 1.1 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝 缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。 2. 绝缘体：几乎不导电的物体
3.半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间 的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为103~109gcm。典型的半导 体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体特点: 1)在外界能源的作用下,导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类 2)在纯净半导体内掺入杂质,导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类
3 3. 半导体 ３．半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间 的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导 体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类
1.1.2本征半导体 1.本征半导体一一化学成分纯净的半导体。制造半 导体器件的半导体材料的纯度要达到99.999999 常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。 电子技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素,它们的外层电子都是4个。其 简化原子结构模型如下图: 电子 外层电子受原子核的束缚 力最小,成为价电子。物 质的性质是由价电子决定 的 4
4 1.1.2 本征半导体 1. 本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半 导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%， 常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。 电子技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其 简化原子结构模型如下图： 硅 锗 电子 外层电子受原子核的束缚 力最小，成为价电子。物 质的性质是由价电子决定 的
2本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近,使原分属于各 原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引,分别与 周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价 电子为这些原子所共有,并为它们所束缚,在空间形 成排列有序的晶体。如下图所示: 硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图 5
5 2.本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各 原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与 周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价 电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形 成排列有序的晶体。如下图所示： 硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图
共价键性质 共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电 子组成的,这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束,如果没有足够 的能量,不易脱离轨道。 因此,在绝对温度T=0°K(-273°C)时,由于共 价键中的电子被束缚着,本征半导体中没有自由电子, 不导电。只有在激发下,本征半导体才能导电 6
6 共价键性质 共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电 子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够 的能量，不易脱离轨道。 因此，在绝对温度T=0K（-273 C）时，由于共 价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子， 不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电
3.电子与空穴 自由电子 当导体处于热空穴 力学温度0°K时, 束缚电子 导体中没有自由电 <。 子。当温度升高或 受到光的照射时, +4 +4 价电子能量增高, 共价键 有的价电子可以挣 脱原子核的束缚, 而参与导电,成为 +4 +4 自由电子。 这一现象称为本征激发,也称热激发。 7
7 3. 电子与空穴 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 束缚电子 共 价 键 当 导 体处于 热 力学温度0K时， 导体中没有自由电 子。当温度升高或 受到光的照射时， 价电子能量增高， 有的价电子可以挣 脱原子核的束缚， 而参与导电，成为 自由电子。 这一现象称为本征激发，也称热激发
4.电子与空穴 自由电子产生的同时,在其原来的共价键 中就出现了一个空位,原子的电中性被破坏, 呈现出正电性,其正电量与电子的负电量相等 ,人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 激发 空穴 电子 复 8
8 ４．电子与空穴 自由电子产生的同时，在其原来的共价键 中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏， 呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等 ，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴
5.电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是 同时成对出现的,称为电子空穴对。游离的部分自 由电子也可能回到空穴中去,称为复合,如图所示 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 激发 空穴 电子 复合 本征激发和复合的过程(动画) 9
9 ５．电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是 同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自 由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示 。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 本征激发和复合的过程（动画）
6.空穴的移动 由于共价键中出现了空穴,在外加能源的激发 下,邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上, 而这个电子原来的位置又出现了空穴,其它电子又 有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出 现了电荷迁移一电流。 电流的方向与电子移动的:● 方向相反,与空穴移动的 方向相同。本征半导体中 产生电流的根本原因是由 于共价键中出现了空穴。 由于空穴数量有限,所以 其电阻率很大。 空穴在晶体中的移动(动画) 10
10 ６．空穴的移动 由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发 下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上， 而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又 有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出 现了电荷迁移—电流。 空穴在晶体中的移动（动画） 电流的方向与电子移动的 方向相反，与空穴移动的 方向相同。本征半导体中， 产生电流的根本原因是由 于共价键中出现了空穴。 由于空穴数量有限，所以 其电阻率很大