工程学概论》半导体基本特性.ppt
《工程学概论》半导体基本特性.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《工程学概论》半导体基本特性.ppt(43页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第二章 半导体及其基本特性,2.1 半导体基础知识,在自然界中存在着许多不同的物质,根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体:通常将很容易导电、电导率在106-104cm-1的物质,称为导体,例如铜、铝、银等金属材料;绝缘体:将很难导电、电导率小于10-10cm-1的物质,称为绝缘体,例如塑料、橡胶、陶瓷等材料;半导体:将导电能力介于导体和绝缘体之间、电导率在104-10-10cm-1范围内的物质,称为半导体。,常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。,用半导体材料制作电子元器件,不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间,而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂
2、质的多少发生显著的变化,这就是半导体的热敏特性、光敏特性和掺杂特性。纯净的半导体硅,当温度从30升高到40时,电阻率减小一半;而金属导体铜,当温度从30升高到100时,电阻率的增加还不到1倍。纯净硅在室温时的电阻率为 2.14105cm,如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子,此时硅的纯度仍可高达99.9999,但它的电阻率却下降到 0.2 cm,几乎减少到原来的百万分之一。,可见,当半导体受热或掺入杂质后,导电性能会发生变化。,人们利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种热敏元件和光敏元件,利用掺杂特性制成的P结是各种半导体器件的主要组成部分。,半导体的主要特点:1、在纯净的半导体材料中,
3、电导率随温度的上升而指数增加2、杂质的种类和数量决定着半导体的电导率,在重掺杂情况下温度对电导率影响较弱3、在半导体中可以实现非均匀掺杂4、光的辐照、高能电子等注入可以影响半导体的电阻率,2.1.1 本征半导体,纯净的单晶半导体称为本征半导体,即不含任何杂质,结构完整的半导体。1 本征半导体的晶体结构 常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)的原子序数分别为14和32,它们的原子结构如图1-1(a)和(b)所示。,硅和锗原子的最外层轨道上都有四个电子,同属于四价元素。,硅和锗原子的最外层轨道上都有四个电子,同属于四价元素。,由于内层电子受原子核的束缚力很大,很难脱离原子核。,最外层的四个电子受原
4、子核的束缚力较小,有可能成为自由电子,常称为价电子。,为简化起见,将内层电子和原子核看成一个整体,称为惯性核,它的净电量是四个正电子电量。,硅和锗都是晶体,晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵称为晶格。,整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。,硅和锗的单晶体即为本征半导体。,硅或锗原子最外层的四个价电子,正好和相邻的四个原子中的价电子组成四个共用电子对,构成四个共价键,使每个硅或锗原子的最外层电子获得稳定结构,,硅或锗制成单晶体后,相邻两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但受本身原子核的吸引,而且受相邻原子核的吸引,从而将两个原子牢固地束缚在一起,这种共用价电子所形成的束缚作用就叫共价
5、键。,共价键,价电子,半导体的结构,原子结合形式:共价键形成的晶体结构:构 成 一 个正四面体,具 有 金 刚 石 晶 体 结 构,半导体的结合和晶体结构,金刚石结构,半导体有元素半导体,如:Si、Ge 化合物半导体,如:GaAs、InP,在绝对零度(T=-273或T=0 K)下,本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中,不存在自由运动的电子,本征半导体相当于绝缘体。,但在室温下(T=27或T=300 K),本征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子,在该共价键上留下了空位,这个空位具有吸收电子的能力,称为空穴。,由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会
6、有一个空穴出现,即电子与空穴成对产生,称之为电子-空穴对。,这种由于本征半导体受热而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。,2.1.2 本征半导体中的两种载流子,把空穴和电子叫做半导体中的载流子。载流子可以是能自由移动的电子(带负电荷),也可以是不能移动、具有带正电荷性质的空穴(共价结构中缺少电子的位置)。,载流子可以是能自由移动的电子(带负电荷),不能移动、具有带正电荷性质的空穴,电子:Electron,带负电的导电载流子,是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子,对应于导带中占据的电子空穴:Hole,带正电的导电载流子,是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位,对应于价带中的电子空位,价带:0K
7、条件下被电子填充的能量最高的能带导带:0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带:导带底与价带顶之间能带带隙:导带底与价带顶之间的能量差,半导体的能带结构,在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程,当温度一定时,两种状态达到动态平衡,即本征激发产生的电子-空穴对,与复合的电子-空穴对数目相等,这种状态称为热平衡状态。半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度(单位体积中载流子的数目)ni和pi来表示。处于热平衡状态下的本征半导体,其载流子的浓度是一定的,并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。根据半导体物理中的有关理论,可以证明,热平衡载流子的浓度,式中表明,本征半导体的载流子浓度和温度、材
8、料有关。尽管本征半导体在室温情况下具有一定的导电能力,但是,本征半导体中载流子的数目远小于原子数目,因此本征半导体的导电能力是很低的。,K是常量(硅为3.881016 cm-3K-3/2,锗为1.761016cm-3K-3/2),T为热力学温度,k是玻尔兹曼常数(8.6310-5 ev/K),Eg0 是T=0 K(即-273)时的禁带宽度(硅为1.21 ev,锗为0.785 ev),在纯净的单晶体硅中,掺入微量的五价杂质元素,如磷、砷、锑等,使原来晶格中的某些硅原子被杂质原子所取代,便构成N型半导体。,2.2 杂质半导体,由于杂质原子有五个价电子,其中四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子形成共
9、价键,还剩一个价电子,这个价电子不受共价键的束缚,只受原子核的吸引,在室温下,该价电子所获得的热能使它摆脱原子核的吸引而成为自由电子,则杂质原子因失去一个价电子而成为不能移动的杂质正离子。,1 N型半导体,N型半导体结构示意图,在N型半导体中,由于杂质原子产生自由电子的同时并不产生空穴,因此自由电子的浓度远大于空穴的浓度,故称自由电子为多数载流子(简称多子),空穴为少数载流子(简称少子)。由于五价杂质原子能释放出电子,因此这类杂质原子称为施主原子。,P型半导体结构示意图,在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素,如硼、镓、铟等,便构成P型半导体。,2P型半导体,由于杂质原子只有三个价电子,当杂质
10、原子替代硅原子的位置后,杂质原子的三个价电子仅与相邻的三个硅原子的价电子形成共价键,与第四个相邻的硅原子不能构成完整的共价键而出现一个空位。,这个空位极易接受其它硅原子共价键中的价电子,使杂质原子成为带负电的杂质负离子,同时硅原子的共价键中因缺少一个价电子而产生一个空穴,由于三价杂质原子所产生的空位起着接受电子的作用,因此称之为受主原子。在P型半导体中,由于掺入的是三价杂质元素,使空穴浓度远大于自由电子浓度,因此空穴为多数载流子,自由电子是少数载流子。,受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,3.半导体的掺杂,三价掺杂,五价掺杂,施主和受主浓度:ND、NA,施主:Donor,掺入半导体的杂质原子向半导
11、体中 提供导电的电子,并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主:Acceptor,掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴,并成为带负电的离子。如 Si中掺的B,4.非本征半导体的载流子,在非本征情形:,热平衡时:,N型半导体:n大于pP型半导体:p大于n,多子:多数载流子n型半导体:电子p型半导体:空穴少子:少数载流子n型半导体:空穴p型半导体:电子,载流子传输现象,半导体晶体的电流传输模式有漂移和扩散两种。漂移:是指载流子在外力作用下的定向移动。这种载流子的定向移动形成了半导体晶体中的漂移电流。扩散:是指由于电子和空穴密度不同而引起的载流子移动,扩散的机制是半导体晶体中要保
12、持电荷平衡。扩散形成的电流叫做扩散电流。这两种载流子的传输机制,为半导体器件的结构设计提供了基本模式,这个模式就是PN结。,在一块完整的本征半导体硅或锗片上,利用不同的掺杂工艺,使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,在它们的交界处便形成PN结。,2.3 PN结,半导体器件的核心是PN结,在P型半导体和N型半导体的交界面,由于载流子浓度的差别,载流子会从浓度高的区域向浓度低的区域产生扩散运动。即P型区的多子(空穴)向N型区扩散,N型区的多子(自由电子)向P型区扩散,,扩散的结果是在交界面附近,P型区一侧由于失去空穴而留下了不能移动的杂质负离子,N型区一侧由于失去电子而留下了不能移动的杂质
13、正离子。扩散到对方的载流子成为异型半导体中的少子而与该区的多子复合,这样,在交界面两侧就出现了由不能移动的杂质正负离子构成的空间电荷区,也就是PN结,,由于空间电荷区中的载流子已经复合掉或者说消耗尽了,因此空间电荷区又可称为耗尽层。随着多子扩散运动的进行,空间电荷区交界面两侧的离子电荷量增多,空间电荷区加宽,而空间电荷区以外的P型区和N型区仍处于热平衡状态且保持电中性。,1 PN结的形成,在空间电荷区里,由于杂质正负离子的极性相反,于是产生了由带正电的N型区指向带负电的P型区的电场,因为这个电场是由内部载流子扩散运动形成的,故称为内电场。,在内电场的作用下,少数载流子产生漂移运动,N型区的少子
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 工程学 概论 半导体 基本 特性
链接地址:https://www.31ppt.com/p-6115373.html