第2章 半导体器件基础

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1、 第二章 半导体器件基础 计计 算算 机机 电电 路路 基基 础础第第2章章 半导体器件基础半导体器件基础学习要点：学习要点：PNPN结的形成和单向导电性结的形成和单向导电性 二极管的伏安特性二极管的伏安特性半导体三极管的基本结构、工作原理半导体三极管的基本结构、工作原理三极管的伏安特性三极管的伏安特性MOSMOS场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线结型场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线结型场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线第第2 2章章 半导体器件基础半导体器件基础导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为

2、自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。硅、锗等半导体材料之所以得到广泛的应用，主硅、锗等半导体材料之所以得到广泛的应用，主要是因为它们的导电能力具有一些特殊的方面。要是因为它们的导电能力具有一些特殊的方面。 1.热敏性：热

3、敏性：半导体的电阻率随温度升高而显著减小。半导体的电阻率随温度升高而显著减小。 常用于检测温度的变化。常用于检测温度的变化。 对其他工作性能有不利的影响。对其他工作性能有不利的影响。2.光敏性：光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻 率则显著下降。率则显著下降。 利用这个特性可以制成光敏元件。利用这个特性可以制成光敏元件。3.杂敏性杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛 增几万倍至百万倍。增几万倍至百万倍。 利用这个特性可以制造出具有不同性能用途的半导体利用这个特性可以制造出具有不同性能用途的半导体器件。器件

4、。2.1.2 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺可以将半导体制成通过一定的工艺可以将半导体制成晶体晶体。 现代电子学中用的最多的半导体是硅和锗，它们的现代电子学中用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个

5、其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：由于热激发而由于热激发而产生的自由电子产生的自由电子自由电子移走后自由电子移走后而留下的空穴而留下的空穴共价键共价键共有价电子所形共有价电子所形成的束缚作用成的束缚作用共价键结构、共价键结构、自由电子、空穴自由电子、空穴 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键，常温下束缚电子很难脱离共价键成为成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子

6、很，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。少，所以本征半导体的导电能力很弱。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。即自由电子和空穴。 空穴带正电，运动相当于正电荷的运动。空穴带正电，运动相当于正电荷的运动。 本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大。本征半导体的载流子浓度受温度的影

7、响很大。是影响半导体导电性能的重要因素。是影响半导体导电性能的重要因素。 在本征半导体中有电子和空穴在本征半导体中有电子和空穴2 2种载流子，种载流子，而金属导体中只有电子一种载流子，但在本征而金属导体中只有电子一种载流子，但在本征半导体中载流子的浓度远远低于后者，所以导半导体中载流子的浓度远远低于后者，所以导电能力不如金属。电能力不如金属。杂质半导体：杂质半导体：在纯净的半导体单晶体中有选择在纯净的半导体单晶体中有选择地掺入微量杂质元素，并控制掺入的杂质元素地掺入微量杂质元素，并控制掺入的杂质元素 的种类和数量。的种类和数量。 杂质可以提高半导体的导电能力，并可以杂质可以提高半导体的导电能力

8、，并可以精准的控制半导体的导电能力。精准的控制半导体的导电能力。 根据加入的杂质不同可以分为根据加入的杂质不同可以分为N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体2.1.3 N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子

9、，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，因此也称为子给出一个电子，因此也称为施主原子施主原子。杂质原子提供杂质原子提供的多余电子的多余电子杂质原子失去一个杂质原子失去一个电子成为正离子电子成为正离子N型半导体的共价键结构 N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？ 因为掺杂浓度远大于本征半导体中载因为掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多多子子），空穴称为

10、），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。2.1.4 P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，因此也称为离子。由于硼原子接受电子，因此也

11、称为受受主原子主原子。邻近电子只空位邻近电子只空位留下留下可移动空穴可移动空穴可移动的空穴可移动的空穴杂质原电子接受一个杂质原电子接受一个电子成为负离子电子成为负离子P型半导体的共价键结构 P 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？P P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。 杂质型半导体多子和少子的移动都能杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。度相等。载流子的漂移运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动