第4章常用半导体器件原理ppt课件.ppt

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1、第四章　常用半导体器件原理4.1　半导体物理基础4.2　PN结4.3　晶体二极管4.4　双极型晶体管4.5　场效应管4.1　半导体物理基础自然界的各种媒质从导电性能上可以大致分为导体、绝缘体和半导体。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。绝缘体如玻璃和橡胶，它们对电信号起阻断作用，其电阻率介于108~1020Ω·m。另外，还有一类媒质称为半导体，如硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等，其导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、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

2、件的重要材料。4.1.1　本征半导体图4.1.1(a)和(c)所示分别为硅和锗的原子结构。作为四价元素，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，如图4.1.1(b)所示。图4.1.1　硅和锗的原子模型(a)硅原子；(b)简化模型；(c)锗原子纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体，图4.1.2给出了其原子晶格结构的平面示意。在晶格结构中，每个原子最外层轨道上的四个价电子可以围绕本

3、原子核运动，也可以围绕邻近原子核运动，从而为相邻原子核所共有，形成共价键。每个原子四周有四个共价键，决定了硅和锗晶体稳定的原子空间晶格结构。共价键中的价电子在两个原子核的吸引作用下，不能在晶体中自由移动，是不能导电的束缚电子。图4.1.2　本征半导体的空间晶格结构吸收外界能量，如受到加热、光照和电击时，本征半导体中一部分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，并在共价键处留下空位，称为空穴。空穴相当于一个单位的正电荷，如图4.1.3所示，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

4、以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。图4.1.3　本征激发产生成对的自由电子和空穴自由电子可以在本征半导体的晶格结构中自由移动，而空穴的正电性可以吸引相邻共价键的束缚电子过来填补，而在相邻位置产生新的空穴，相当于空穴移动到了新的位置，这个过程继续下去，空穴也可以在半导体中自由移动，如图4.1.4所示。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。图4.1.4　价电子反向递补运动相当于空穴移动本征激发使半导体中的自由电子和空穴增多，因而二者在自由移动过程中相

5、遇的机会也加大。相遇时自由电子填入空穴，并释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，如图4.1.5所示。图4.1.5复合消失一对自由电子和空穴不难想象，随着本征激发的进行，复合的几率也不断加大，所以本征半导体在某一温度下，本征激发和复合最终会进入平衡状态，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(4.1.1)式中：T为热力学温度(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

6、1016cm－3K－3/2，锗为1.761016cm－3K－3/2。式(4.1.1)表明了载流子浓度与温度近似为指数关系，所以本征半导体的导电能力对温度变化很敏感。在室温27℃，即T=300K时，可以计算出本征半导体硅中的载流子浓度为1.431010cm－3，而硅原子的密度为51022cm－3，所以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。4.1.2　N型半导体和P型半导体鉴于本征半导体的导电性能较差，在其材料基础上，我们可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，这

7、样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。1.N型半导体N型半导体是在本征半导体中掺入了五价元素的原子，如磷、砷、锑等原子。如图4.1.6所示，这些原子的最外层轨道上有五个电子，取代晶格中的硅或锗原子后，其中四个电子与周围的原子构成共价键，剩下一个电子便成为键外电子。图4.1.6　N型半导体空间晶格结构的平面示意键外电子只受到杂质原子的微弱束缚，受到很小的能量激发，如室温下的热能，就能游离出去，成为自由电子。这样N型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就给半导体提供一个自由电子，从

8、而大量增加了自由电子的浓度。提供自由电子的杂质原子称为施主原子，在失去一个电子后成为正离子。正离子是带电的原子核，不能移动，无法参与导电。杂质半导体中仍然存在本征激发，产生少量的自由电子和空穴。由于掺杂产生了大量的自由电子，大大增加了空穴被复合的机会，因此空穴的浓度比本征