半导体器件基础1研究.ppt

* 第1章 半导体器件基础 * 第1章 半导体器件基础 第1章 半 导 体 器 件 基 础 1.1 半导体基础知识 1.2PN结 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管 1.1 半导体基础知识 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。  物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。 1.1.1 本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。为便于讨论, 采用图 1-１ 所示的简化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子核的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中, 每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图１ - ２所示。  图 1 – 1 硅和锗简化原子 结构模型 图 1 – 2 本征半导体共价键晶体结构示意图 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1-３所示。 图 1 – 3 本征半导体中的自由电子和空穴 由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度, 即ni=pi, 下标i表示为本征半导体。 价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一定的。本征半导体中载流子的浓度, 除了与半导体材料本身的性质有关以外, 还与温度有关, 而且随着温度的升高, 基本上按指数规律增加。因此, 半导体载流子浓度对温度十分敏感。对于硅材料, 大约温度每升高８℃, 本征载流子浓度ni增加 1 倍；对于锗材料, 大约温度每升高１２℃, ｎｉ增加 1 倍。 除此之外, 半导体载流子浓度还与光照有关, 人们正是利用此特性, 制成光敏器件。 1.1.2 杂质半导体 1. Ｎ型半导体 在本征半导体中, 掺入微量５价元素, 如磷、锑、砷等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有５个价电子, 因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时, 还多余 1 个价电子。 它不受共价键的束缚, 而只受自身原子核的束缚, 因此, 它只要得到较少的能量就能成为自由电子, 并留下带正电的杂质离子, 它不能参与导电, 如图１-４所示。显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度, 即nnpn(下标ｎ表示是Ｎ型半导体), 主要靠电子导电, 所以称为Ｎ型半导体。由于５价杂质原子可提供自由电子, 故称为施主杂质。Ｎ型半导体中, 自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。 图 1 - 4 N型半导体共价键结构 杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的, 因而其浓度主要取决于温度。 此时电子浓度与空穴浓度之间, 可以证明有如下关系： 即在一定温度下, 电子浓度与空穴浓度的乘积是一个常数, 与掺杂浓度无关。 2. P型半导体 在本征半导体中, 掺入微量３价元素, 如硼、镓、铟等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。 图 1 – 5 P型半导体的共价键结构 1.２ＰＮ 结 1.2.1 异型半导体接触现象 图 1 - 6 PN结的形成 1.2.2 ＰＮ结