第一章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)講義

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1、第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)講義1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)一、半導(dǎo)體材料導(dǎo)體電阻率半導(dǎo)體絕緣體電阻率－<104Ωcm>1010Ωcm，·典型半導(dǎo)體材料：硅（Silicon,元素符號(hào)Si）鍺（Germanium,元素符號(hào)Ge）化合物半導(dǎo)體如砷化鎵（GaAs）等·半導(dǎo)體三特點(diǎn)：熱敏性；②光敏性；③雜敏性。·半導(dǎo)體導(dǎo)電能力與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系――半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于它的原子結(jié)構(gòu)。·硅原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型：·硅原子的晶體結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵。·半導(dǎo)體指純凈的、結(jié)構(gòu)完整的晶體·共價(jià)鍵內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)方式――價(jià)電子是可以在共價(jià)鍵內(nèi)運(yùn)動(dòng)的。二、本征半導(dǎo)體·T=0

2、K（約為－273℃）時(shí)，所有價(jià)電子均被束縛在共價(jià)鍵內(nèi)，不能導(dǎo)電?！峒ぐl(fā)T↑→價(jià)電子的熱運(yùn)動(dòng)獲得能量→擺脫共價(jià)鍵的吸引→成為自由電子，同時(shí)留下一個(gè)空位→相關(guān)原子成為正離子――中性原子的電離過(guò)程?！た昭梢砸苿?dòng)的，帶正電荷的載流子?？昭ǖ倪\(yùn)動(dòng)形式――價(jià)電子在共價(jià)鍵內(nèi)移動(dòng)?！ぐ雽?dǎo)體內(nèi)的兩種載流子：自由電子和空穴――兩者帶電量相同而極性相反，且均可移動(dòng)?！ぷ杂呻娮雍涂昭ǔ蓪?duì)產(chǎn)生源于溫度，稱(chēng)為熱激發(fā)?！崦粜訲↑，熱激發(fā)加劇，自由電子和空穴的濃度↑，電阻率↓?！?fù)合自由電子和空穴相遇，自由電子和空穴成對(duì)消失的過(guò)程。·從能量的角度看激發(fā)和復(fù)合

3、熱激發(fā)是價(jià)電子獲得能量擺脫共價(jià)鍵束縛的過(guò)程，復(fù)合則是自由電子釋放出所獲得的能量重新被共價(jià)鍵俘獲的過(guò)程?！崞胶鉂舛萒↑→自由電子和空穴濃度↑→復(fù)合↑→動(dòng)態(tài)平衡。表現(xiàn)為在此溫度下電子和空穴對(duì)的濃度宏觀上不再變化。稱(chēng)為此溫度下的熱平衡濃度。溫度提高后，熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子－空穴對(duì)的數(shù)量出現(xiàn)新的增長(zhǎng)，帶動(dòng)復(fù)合數(shù)量的增長(zhǎng)，最終達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，在新的溫度下形成新的熱平衡濃度。·室溫下，硅中載流子的熱平衡濃度只有約1010/cm3，導(dǎo)體中自由電子濃度約1022/cm3，且不隨溫度而變?！ぐ雽?dǎo)體中的導(dǎo)電機(jī)理在半導(dǎo)體中，自由電子帶負(fù)電荷、空穴帶正

4、電荷，均可移動(dòng)，兩種載流子。有：。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜的目的：改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類(lèi)型。根據(jù)摻入的是五價(jià)或三價(jià)元素，可以得到N型和P型兩種類(lèi)型的雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素磷（或砷、銻）。比例很小，不會(huì)破壞原來(lái)的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)磷原子取代晶體中的硅原子時(shí)，第五個(gè)價(jià)電子在室溫下即可擺脫磷原子核的吸引變成自由電子，磷原子因丟失一個(gè)價(jià)電子而帶正電，電離成不能移動(dòng)的正離子。磷原子稱(chēng)為施主元素，電離后出現(xiàn)的正離子稱(chēng)為施主離子。硅原子密度為1022/cm3，按萬(wàn)分之一摻雜，自由電子數(shù)也將達(dá)到1018/cm3。而室溫下的熱平衡濃度只有約

5、1010/cm3。多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)多子。少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)少子。電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。2.P型半導(dǎo)體摻入微量三價(jià)元素硼，在室溫下，摻入的硼原子均電離成負(fù)離子，并提供一個(gè)空穴。同時(shí)半導(dǎo)體中原有熱激發(fā)產(chǎn)生的微量自由電子－空穴對(duì)將使該半導(dǎo)體中有少量自由電子。因?yàn)閾饺氲娜齼r(jià)元素會(huì)接受電子，故稱(chēng)三價(jià)元素為受主元素，電離后的負(fù)離子稱(chēng)為受主離子。在這種半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。導(dǎo)電時(shí)將以空穴電流為主，故將其稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。·結(jié)論在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子主要是由摻入的雜質(zhì)元素提供的，所以我們通過(guò)控制摻雜濃度，

6、即可改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力?！る娭行詥?wèn)題N型半導(dǎo)體中：自由電子數(shù)＝空穴數(shù)＋正離子數(shù)，P型半導(dǎo)體中：空穴數(shù)＝自由電子數(shù)＋負(fù)離子數(shù)。四、PN結(jié)及單向?qū)щ娦?.載流子的運(yùn)動(dòng)方式·擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)――擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由于濃度差，載流子由濃度高向濃度低方向的運(yùn)動(dòng)?！て七\(yùn)動(dòng)――漂移運(yùn)動(dòng)是載流子在電場(chǎng)作用下做的定向運(yùn)動(dòng)。因載流子擴(kuò)散形成的電流叫擴(kuò)散電流，漂移形成的電流稱(chēng)為漂移電流。2.PN結(jié)的形成濃度差→擴(kuò)散→形成空間電荷區(qū)→內(nèi)建電場(chǎng)→阻止擴(kuò)散，利于漂移→動(dòng)態(tài)平衡。內(nèi)建電場(chǎng)的影響：①阻礙兩邊多子的擴(kuò)散。N區(qū)的自由電子和P區(qū)的空穴在擴(kuò)散穿越空間電荷區(qū)時(shí)，要克服電

7、場(chǎng)力做功，這就使得能擴(kuò)散到對(duì)方的多數(shù)載流子的數(shù)量減少；②有利于兩邊少數(shù)載流子的漂移。內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)于兩邊區(qū)域的多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是一個(gè)阻力場(chǎng)（或減速場(chǎng)），而對(duì)于兩邊區(qū)域的少數(shù)載流子卻是一個(gè)加速場(chǎng)。少數(shù)載流子只要因熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)入內(nèi)建電場(chǎng)的勢(shì)力范圍，就會(huì)在電場(chǎng)力的作用下加速漂移到達(dá)對(duì)方。因?yàn)镻N結(jié)空間電荷區(qū)中能夠移動(dòng)的帶電粒子（自由電子和空穴）都擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域復(fù)合掉了（載流子都消耗盡了），所以PN結(jié)也叫做耗盡區(qū)。3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的特點(diǎn)是具有單向?qū)щ娦裕谕饧与妷旱淖饔孟?，PN結(jié)只允許通過(guò)單向電流。（1）PN結(jié)正偏導(dǎo)通PN結(jié)正偏時(shí)，

8、空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷量減少，PN結(jié)將變窄。削弱了空間電荷區(qū)的電場(chǎng)。這就減小了對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散的阻礙作用，因此兩邊多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子漂移運(yùn)動(dòng)，PN結(jié)內(nèi)的電流便由起主導(dǎo)作用的擴(kuò)散電流所決定。稱(chēng)為正向電流IF。正向壓降約在0.6V～0.