第1章常用半导体器件S1.1半导体基础知识一、本征半导体1、什么是半导体？什么是本征半导体？物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。导电性介于道题与绝缘体之间的物质称为半导体。导体一一铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体一一情性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才能导电。半导体一一硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的具有晶体结构的半导体。无杂质稳定的结构2、本征半导体的结构共价键相邻两个原子的最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，这样的组合称为共价键结构
第 1 章 常用半导体器件 §1.1 半导体基础知识 一、本征半导体 1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 导电性介于道题与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体——铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易 产生定向移动，形成电流。 绝缘体——惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有 在外电场强到一定程度时才能导电。 半导体——硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的 束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的具有晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构 2、本征半导体的结构 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 相邻两个原子的最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而 且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，这样的组合称为共价键结构。 共价键
共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键。4、本征半导体中的两种载流子电子空穴对1）由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。2）自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。3）自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。4）在一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定：温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。5）运载电荷的粒子称为载流子。6）外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反7）由于载流子数目很少，故导电性很差。8）温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。9）本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。热力学温度OK时不导电。二、杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中参入少量合适的杂质元素，形成杂质半导体。根据掺入的杂质元素不同，分为N型半导体和P型半导体；所掺入杂质元素的浓度控制导电性能。杂质半导体主要靠多数载流子导电，掺入的杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。1、N（Negative）型半导体
共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键。 4、本征半导体中的两种载流子 1）由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。 2）自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。 3）自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 4）在一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共 价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。 5）运载电荷的粒子称为载流子。 6）外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。 7）由于载流子数目很少，故导电性很差。 8）温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 9）本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。热力学温度 0K 时不导电。 二、杂质半导体 通过扩散工艺，在本征半导体中参入少量合适的杂质元素，形成杂质半导体。 根据掺入的杂质元素不同，分为 N 型半导体和 P 型半导体； 所掺入杂质元素的浓度控制导电性能。杂质半导体主要靠多数载流子导电，掺入的 杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。 1、N（Negative）型半导体 电子空穴对
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，成为N型半导体。硅原子N型半导体多余电子磷原子多数载流子一一自由电子：少数载流子空穴。2、P(Positive)型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等，成为P型半导体。硅原子P型半导体0000空穴00硼原子多数载流子空穴：少数载流子一自由电子。说明：1）掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度：温度决定少数载流子的浓度。2）杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。3）杂质半导体总体上保持电中性。三、PN结的形成及其单向导电性1、PN结的形成
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，成为 N 型半导体。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 多数载流子——自由电子；少数载流子——空穴。 2、P(Positive)型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等，成为 P 型半导体。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 多数载流子——空穴；少数载流子——自由电子。 说明： 1）掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。 2）杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。 3）杂质半导体总体上保持电中性。 三、PN 结的形成及其单向导电性 1、PN 结的形成 硅原子 磷原子 多余电子 硅原子 硼原子 空穴
PN00仕+00.0.0.0田④④.田物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动，气体、液体、固体均有之。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低，靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，从而阻止扩散运动的进行，内电场使空穴从N区向P区，自由电子从P区向N区运动。耗尽层N空间电荷区00+++田0:自建场PN结合一→因多子浓度差一→多子的扩散→空间电荷区→形成内电场一阻止多子扩散促使少子漂移。补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散少子飘移又失去多子，耗尽层宽，E内电场EP型半导体耗尽层N型半导体OO④0O④T店e④一++少子漂移电流多子扩散电流扩散电流=漂移电流时，达到了动态平衡，就形成了PN结
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动，气体、液体、固体均有之。 扩散运动使靠近接触面 P 区的空穴浓度降低，靠近接触面 N 区的自由电子浓度降低， 产生内电场，从而阻止扩散运动的进行，内电场使空穴从 N 区向 P 区，自由电子从 P 区 向 N 区运动。 PN 结合→因多子浓度差→多子的扩散→空间电荷区→形成内电场→阻止多子扩散， 促使少子漂移。 扩散电流=漂移电流时，达到了动态平衡，就形成了 PN 结
势垒电压硅为0.5V，锗为0.1V。2、PN结的单向导电性1）当P区的电位高于N区的电位时，称为外加正向电压（或称为正向偏置电源正极接P区，负极接N区，外电场的方向与内电场方向相反。P型半导体空间电荷区N型半导体内电场EREw外电场削弱内电场一耗尽层变窄→扩散运动>漂移运动→多子扩散形成正向电流IF。结论：PN结外加正向电压导通。2）当N区的电位高于P区的电位时，称为外加反向电压（或称为反向偏置）电源正极接N区，负极接P区，外电场的方向与内电场方向相同。空间电荷区内电场EREu外电场加强内电场一→耗尽层变宽一→漂移运动>扩散运动一少子漂移形成反向电流IR
势垒电压硅为 0.5V，锗为 0.1V。 2、PN 结的单向导电性 1）当 P 区的电位高于 N 区的电位时，称为外加正向电压（或称为正向偏置） 电源正极接 P 区，负极接 N 区，外电场的方向与内电场方向相反。 － － － － － － － + + － + + + + + － + P型半导体 － － + + N型半导体 + － + EW R 空间电荷区 内电场E 外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF。 结论：PN 结外加正向电压导通。 2）当 N 区的电位高于 P 区的电位时，称为外加反向电压（或称为反向偏置） 电源正极接 N 区，负极接 P 区，外电场的方向与内电场方向相同。 + － － － + － － 内电场 + + － + － + E + － EW － － － + 空 间 电 荷 区 + － R + + + IR P N 外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流 IR