《清华大学模电》PPT课件

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1、第一章集成电路元器件基础第一节半导体基础知识一、固体按导电性能可分为三类：导体：绝缘体：半导体：如：金、银、铜、铝等如：云母、陶瓷等如：硅Si、锗Ge、砷化镍GaAs等一、半导体的特性：杂质、温度、光照对ρ影响较大定义：没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体（一）本征半导体的共价键结构1、Si、Ge原子结构模型+14Si+32Ge+4价电子惯性核三、本征半导体2、共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+43、本征激发+4导带价带Eg禁带导带价带Eg禁带导带价带Eg禁带自由电子空穴空穴带单位正电荷自由电子位带单位负电荷

2、空穴带单位正电荷自由电子位带单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴带单位正电荷自由电子位带单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴带单位正电荷自由电子位带单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴带单位正电荷自由电子位带单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴带单位正电荷自由电子位带单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴也是一种载流子自由电子空穴两种载流子在外电场作用下电子空穴运动方向相反T=300K（室温)时Eg(Si)=1.12eVEg(Ge)=0.72eVEg一

3、般与半导体材料和温度T有关T=0K（-273.16oC)时Eg0(Si)=1.21eVEg0(Ge)=0.785eV导带价带Eg禁带+4+4+4+4+4+4+4+4+41.T=0K且无外界能量激发时Eg0较大，价电子全部束缚在共价键中，导带无自由电子。此时的本征半导体相当于绝缘体当T(or光照)价电子获得能量导带价带Eg禁带跃迁导带+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴位于导带---位于价带---自由电子和空穴成对出现2、本征激发3、本征载流子(1)本征激发自由电子空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由

4、电子空穴本征激发产生自由电子和空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴复合+4+4+4+4+4+4+4+4+4复合3、本征载流子(1)本征激发自由电子空穴(2)空穴自由电子随机碰撞复合空穴消失自由电子(3)本征激发复合本征半导体中的自由电子浓度ni空穴浓度pi总是相等的温度nipi导电能力可制作热敏元件影响半导体器件的稳定性光照nipi导电能力可制作光电元件定义：人为掺入一定杂质成份的半导体称杂质半导体四、杂质半导体N型半导体（掺入5价元素杂质）P型半导体（掺入3价元素杂质）分类+4+4+4+4+4+4+4

5、+5+4在本征半导体中掺入5价的杂质（砷、磷、锑）就成为N型半导体杂质原子提供多余电子称为施主杂质----正离子多余电子位于施主能级在室温下进入导带成为自由电子导带价带Eg禁带施主能级导带价带Eg禁带（一）N型半导体N型半导体的特点1、施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格中不能移动，不能起导电作用+4+4+4+4+4+52、在室温下，多余的电子全部被激发为自由电子，故N型半导体中自由电子数目很高，ni大，主要靠电子导电，故称为电子半导体。3、在N型半导体中，同样存在本征激发，产生电子空穴对

6、，但数目很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。在N型半导体中，自由电子是多数载流子（多子）空穴对是少数载流子（少子）。+4+4+4+4+4+4+4+3+4在本征半导体中掺入3价的杂质（B硼）就成为P型半导体杂质原子接受电子称为受主杂质----负离子受主原子位于受主能级在室温下产生空位（位于价带）受主能级（二）P型半导体导带价带Eg禁带导带价带Eg禁带+4+4+4+4+4+4+4+3+41、受主原子接受电子在价带中产生一个空穴，但并不在导带中产生电子，而在晶格中留下一个负离子。负离子不能自由移动，不起导电作用。P型半导体的特

7、点在P型半导体中，空穴是多数载流子（多子）自由电子对是少数载流子（少子）。+4+4+4+4+4+32、在室温下，3价受主原子产生的空穴全部可被被激发为价带中的空穴，故P型半导体中空穴数目很高，Pi大，主要靠空穴，故称为空穴半导体。3、在P型半导体中，同样存在本征激发，产生电子空穴对，但数目很小，空穴浓度远大于自由电子浓度。（三）杂质半导体中的载流子浓度本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi杂质半导体掺杂越多多子浓度越多少子浓度越少杂质半导体中载流子的产生杂质电离产生多子本征激发产生多子和少子两种载流子的浓度的关系

8、1、热平衡条件温度一定时，两种载流子浓度之和，等于本征浓度的平方。N型半导体：P型半导体：2、电中性条件：整块半导体的正电荷与负电荷恒等P型半导体：NA表示受主杂质浓度：No表示施主杂质浓度：N型半导体：一般总有No>>pnNA>>npN型：nnNo所以P型：ppNa多子浓度等于掺杂浓度与温度无关pnni2/Noppni2/Na少