常用半导体器件原理

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1、模拟电子电路与技术基础西安电子科技大学微电子学院主讲教师：张进成1教材：模拟电子电路及技术基础（第二版），孙肖子主编，西安电子科技大学出版社，2008年1月授课顺序：第二篇（半导体器件及集成电路－－原理基础篇）：4－10章第一篇（模拟集成电路系统－－应用基础篇）：1－3章教师联系方式：电子邮件：jchzhang@xidian.edu.cn2电路定义：把晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元器件及布线连接在一起，实现一定功能的电子系统。电路分类:按功能分：模拟电路、数字电路、数/模混合电路按形式分：印制板电路、薄厚膜混合集成电路、半导体集成电路电路发展趋势：SoC（系统集成、片上系统

2、）电路的作用：将人类带入智器时代。3第四章常用半导体器件原理4-1半导体物理基础4-2PN结4-3晶体二极管4-4双极型晶体管4-5场效应管44.1半导体物理基础简单介绍半导体物理基础知识，包括本征半导体，杂质半导体，PN结；分别讨论晶体二极管的特性和典型应用电路，双极型晶体管和场效应管的结构、工作机理、特性和应用电路，重点是掌握器件的特性。媒质导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108~1020·m。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)。半导体的

3、导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。导体、半导体和绝缘体在电阻率上并无绝对明确的界限，根本区别在于性质上。III-V族半导体Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)NIV族半导体:Ge,GeSi,Si,SiC,CII-VI族半导体Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S半导体体系金属半导体（丰富多彩）绝缘体IV族III-V族II-VI族GeSiGeSiSiCC?Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)N?Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S??半导体体系光电

4、器件(GaN,GaP)微波器件(GaAs,InP)功率器件(AlGaN/GaN)多功能性：生物芯片，压电传感器，声表面波器件，透明电极，纳米结构高温器件高压器件4.1.1本征半导体纯净的单晶半导体称为本征半导体。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。因为整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表。8每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键

5、处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。9价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合。101、自由电子（负电荷）：部分价电子挣脱共价键束缚离开原子而成为自由电子；自由电子可以在单晶体中自由移动；2、空穴（正电荷）：失去价电子的共价键处留下一个空位，即空穴；空穴的移动：相邻

6、共价键中的电子在空位正电荷的吸引下会填补这个空位，即空位发生了移动。空穴的移动实际上是束缚电子的反移动。3、自由电子和空穴都可以参与导电，这是半导体不同于金属（只有自由电子）的区别之一。4、本征激发：本征半导体受外界能量（热、电和光等）激发，同时产生电子、空穴对的过程。11平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度(cm-3)，理论上其中T为绝对温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度，硅原子为1.21eV，锗为0.78eV；k=8.6310-5eV/K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.871016cm-3K-3/2，锗为1.76101

7、6cm-3K-3/2。····自由电子········共价键····复合激发禁带宽度导带价带12Tni(pi);T=300K(27℃)ni=1.43*1010cm-3原子密度：5*1022cm-3本征半导体导电能力弱本征载流子浓度随温度升高近似指数上升。2、禁带宽度越大，导电性能越差（绝缘性能越好）1、本征半导体导电性能对温度的变化很敏感；134.1.2N型半导体和P型半导体本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的