21半导体的基本知识分析.ppt

2.1.1 半导体材料 典型的半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构（原子物理） 硅 14 —1s2，2s2，2p6，3s2，3p2 锗 32 —1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10， 4s2，4p2 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 晶体结构的说明 晶体与非晶体－原子结构排列是否有序 单晶与多晶－整块晶体的晶格取向是否一致 半导体材料的原子形成有序的排列，邻近原子之间由共价键连接，所以半导体是共价晶体。半导体器件必须用单晶制造（晶体管）。 2.1.3 本征半导体 本征半导体——化学成分纯净（99.99999％）的半导体单晶体。须在单晶炉中提炼得到。 本征半导体的导电机制： 本征半导体导电能力（量子力学）  （1）能带图： 本征半导体导电能力（量子力学）  （2）本征半导体载流子浓度(T=300°K )和原子浓度： 导体、半导体与绝缘体（量子力学）  导体 半导体 绝缘体 2.1.4 杂质半导体  半导体的掺杂 三价元素掺杂——P 型半导体 在硅（锗）单晶中掺入少量三价元素硼，或铝、铟、镓等，则三价元素原子在晶格中缺少一个价电子，从而造成一个空位 空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。 空位俘获电子后，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。 负离子束缚于晶格中，不参与导电。 掺杂后 P 型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度， 例如 pp0 =5×1016/cm3。有： pp0 ＞＞ ni ＞np0 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，它仍由热激发形成。 五价元素掺杂——N 型半导体 在硅（锗）单晶中掺入少量五价元素磷，或砷、锑等，则五价元素原子在晶格中多余一个价电子 多余价电子容易成为自由电子，可以参与导电。 提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子称为施主杂质。 正离子束缚于晶格中，不参与导电。 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度等于掺杂浓度，例如 np0 =5×1016/cm3。因而有： np0 ＞＞ pi ＞pp0 在 N 型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由掺杂形成；空穴是少数载流子，它仍由热激发形成。 * 2.1 半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体 2.1.4 杂质半导体 半导体的导电机制 2.1 半导体的基本知识 元素 硅（Si）、锗（Ge） 化合物 砷化镓（GaAs） 掺杂元素或化合物 硼（B）、磷（P） 半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。 根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。 导体 绝缘体 导电能力用电阻率(或电导率）来描述： 导体 ＜10-4Ωcm 　　绝缘体＞109Ωcm 2.1.1 半导体材料 导体、绝缘体和半导体的划分 半导体 14 原子核 电子 价电子 硅的原子结构 2.1.2 半导体的共价键结构 2.1.2 半导体的共价键结构 自由电子和空穴对——热激发或光照使价电子获得挣脱共价键束缚的能量，成为自由电子，同时共价键中留下一个空穴。 （1）外电场使自由电子导电 （2）同时也使相邻共价键中受束缚的价电子依次充填空穴，产生空穴的移动效果而导电 2.1.3 本征半导体 2.1.3 本征半导体 价电子进入导带，必须具有能量克服禁带。 硅：1.1 eV 锗：0.7 eV 2.1.3 本征半导体 硅： ni = pi =1.4×1010/cm3 ； 4.96×1022/cm3 锗： ni = pi =2.4×1013/cm3 ； 4.42×1022/cm3 温度升高，载流子浓度上升 受到光照，载流子浓度大于热平衡时的浓度 与原子密度相比，载流子浓度极小，本征半导体导电能力不强 2.1.3 本征半导体 在本征半导体中人为掺入某些微量元素作为杂质，称为杂质半导体。在提炼单晶的过程中一起完成。 掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。 2.1.4 掺杂半导体 2.1.4 掺杂半导体 2.1.4 掺杂半导体 2.1.4 掺杂半导体 *