第一章半导体材料及二极管1.1章节(4591KB).pptVIP

1 * 第一章 半导体材料及二极管 1 * 1. 半导体(semiconductor) 将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。 大多数半导体器件所用主要材料是锗、硅和砷化镓 锗——材料丰富，制造成本低，但对温度敏感，应用范围有限。 硅——温度性能好，制造成本较低，具有多年的发展优势，在 电子元件和集成电路应用材料中处于主导地位。 砷化镓——昂贵，但随着制造方法的改进和更高速度的需求， 它将挑战硅在半导体材料中的主导地位。 1.1 半导体材料及其特性 1 * 硅原子结构 (a)硅的原子结构图 最外层电子称价电子 价电子 锗原子也是 4 价元素 4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。 +4 (b)简化模型 2. 价电子和共价键 Problem:这些原子是如何结合在一起并构成晶体结构的？ 1 * +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 在一个纯的硅或锗 晶体中，一个原子 的4个价电子与相邻 原子的4个价电子构成键合关系，称为共价键。 价电子 共价键 电子器件所有的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。 图1.1 单晶Si和Ge的共价键结构示意图 本征半导体－纯净的具有晶体结构的半导体。 1 * 1.1.1 本征半导体 在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强， 在热力学温度零度（即T = 0K，－273℃）时， 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚， 晶体中不存在能够导电的自由电子， 半导体不能导电，如同绝缘体一样。 1 * +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 若 T ? （常温下），将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。 T ? 自由电子和空穴使本征半导体具有微弱的导电能力。 空穴可看成带正电的载流子。 图1.2 本征激发示意图 1、本征激发： 本征激发 半导体在外界（热或光或其他）激发下，产生自由电子空穴对的现象。 1 * 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对，自由电子和空穴的浓度相等。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。 半导体 本征载流子 (cm3) GaAs 1.7x106 Si 1.5x1010 Ge 2.5x1013 半导体 un [cm2/(V·S)] Si 1500 Ge 3900 GaAs 8500 1 * 表1.1 本征载流子（室温） 表1.2 相对运动因子un（室温） 2、本征浓度： 1 * 1 * 一、 N 型半导体 　　在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。 常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。 在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。 掺杂后导电性能发生显著变化，是现实中半导体器件的基本材料。 1.1.2 杂质半导体 1 * +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 自由电子 施主原子 　N 型半导体的晶体结构 原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。 5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。 1 * +5 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动， 并带有正电荷，称为正离子。 在这种杂质半导体中， 电子的浓度大大高于空穴的浓度。 因主要依靠电子导电， 故称为电子型半导体。 多数载流子 Majority carrier 少数载流子 Minority carrier Problem: N型半导体是否呈电中性？ 1 * N 型半导体 1 * 二、 P 型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 　　在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体(空穴型半导体）。 +3 空位 图 1.1.5　P 型半导体的晶体结构 当它与周围的硅原子组成 共价键时，将缺少一个价 电子，产生了一个空位。 1 * 硅原子外层电子由于热运动填补此空位时， 杂质原子成为不能移动的负离子， 硅原子的共价键中产生一个空穴。 在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。 +3 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 空穴 多数 载流子 P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。 3价的杂质原子