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第一章 半导体器件 Copyright 沈丽丽 1 第一章 半导体器件 1.1 半导体基础知识 前言： 1、半导体及其材料 物理学中将物质按导电能力强弱分类： 导体 : 电阻率小于 10-3·cm 绝缘体: 大于 108·cm 半导体: 介于导体和绝缘体之间。如：硅（Si） 、锗（Ge）等 2、半导体的特性 1)掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而导电能力显著 增强。据此可制作各种半导体器件，如二极管和三极管等。 2)热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。据此 可制作温度敏感元件，如热敏电阻。 3)光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增 强。据此可制作各种光电器件，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。 问：那么为什么半导体材料具有这些性质呢？下面解释。 一、本征半导体 1、本征半导体概念：化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单晶体形态。 半导体的原子结构半导体的原子结构 硅 Si 锗 Ge 1）硅、锗原子最外层都有四个价电子同属四价元素。 2）多个原子整齐排列构成共价健结构，这种整块晶体内部晶格排列完全一致的 晶体称为单晶，半导体材料的单晶称为本征半导体. 第一章 半导体器件 2 半导体的共价健结构半导体的共价健结构 1）共价键定义：相邻两个原子中的价电子作为共用电子对而行形成的相互作用 力。每个原子与相邻 4 个原子构成 4 个共价键。 2）作用：本征半导体不受外界影响时，价电子被共价键牢牢束缚不存在自由 移动的电子。 2、本征半导体的导电机理 4+ +4+ + 本征激发本征激发本征激发本征激发（热激发）（热激发）（热激发）（热激发） 本征激发产生的本征激发产生的空穴空穴空穴空穴本征激发产生的本征激发产生的空穴空穴空穴空穴 价价价价 电电电电 子子子子 价电子受热或受光照（即 获得一定能量）后，可挣脱原 子核的束缚，成为 价电子受热或受光照（即 获得一定能量）后，可挣脱原 子核的束缚，成为自由电子自由电子 （带负电），同时共价键中留 下一个带正电的 （带负电），同时共价键中留 下一个带正电的空穴空穴。 该现象称为本征激发该现象称为本征激发该现象称为本征激发该现象称为本征激发( ( ( (热激发热激发热激发热激发) ) ) ) 本征激发产生的本征激发产生的自由电子自由电子自由电子自由电子本征激发产生的本征激发产生的自由电子自由电子自由电子自由电子 1）本征激发定义 2)特征：缺少一个价电子的原子成为带正电荷的载流子空穴（别于导体的重要 特征） ；空穴位的转移相当于正电荷载流运动。 3）热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒子(载流子)： 成对的电子和空穴； ： 成对的电子和空穴；导体中只有电子无空穴。 4）复合：自由电子与空穴相遇回到共价键结构中的现象。此时电子-空穴成对消 失。 5）自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合，成对消失。 6）在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持 一定的数目。 第一章 半导体器件 3 引言：本征半导体载流子（电子、空穴）占原子密度极小部分，导电差掺入杂质 后可增加载流子数。 二、杂质半导体 概念概念：在本征半导体中掺入微量其他元素而得到的半导体。 分类分类：N（Negative 电子）型和 P(Positive 空穴)型半导体 1、N 型半导体型半导体 定义：定义： 在本征半导体中掺入微量五价元素物质 （磷、 砷等） 而得到的杂质半导体。 结构图结构图 1）掺杂后，某些位置上的硅原子被五价杂质原子-施主杂质取代。如磷原子的 5 个价电子中，4 个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获 取较小能量即可成为自由电子。使自由电子浓度增加。 2）同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。 上述过程称为施主杂质(Donor)电离。常温下施主杂质已被全部电离。 3）自由电子能自由运动，而正离子是不能运动的。 4） N 型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。 但其空穴受自由电子复合， 数目更少。 可见：在 N 型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子） ；空穴是少数载流子 （简称少子） 这种电子（负 N）为多数载流子的杂质半导体称为 N 型半导体这种电子（负 N）为多数载流子的杂质半导体称为 N 型半导体 第一章 半导体器件 4 2、P 型半导体 定义： 2、P 型半导体 定义： 在本征半导体中掺入微量三价元素物质 （硼、 铝等） 而得到的杂质半导体。 1)掺杂后，某些位置上的硅原子被三价杂质原子受主杂质，如硼原子）取代。 硼原子有 3 个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴，导致共 价键中的电子很容易运动到这里来。 2）接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子 成对产生。上述过程称为受主杂质（Acceptor）电离。常温下受主杂质已被全部 电离。 3)P 型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。 但自由电子易受更多空穴复 合，变得更少。 可见： 在 P 型半导体中空穴是多数载流子(简称多子) ,自由电子是少数载流子 （简 称少子） 。 这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为 P 型半导体。型半导体。 3、a)不论 P 型、N 型掺杂越多，多子数目越多，少子越少。 b)整个杂质半导体呈电中性状态半导体正电荷量必等于负电荷量 如 P 型多子空穴浓度 oao nNp+=（受主杂质原子+少子电子） 三、载流子运动方式及形成电流 1.扩散运动及扩散电流 1.扩散运动及扩散电流 当载流子浓度分布不均匀时，就会产生一种扩散力，使载流子分布浓度朝着趋向 均匀的方向运动。 扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。 扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。 扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比 2.漂移运动及漂移电流 2.漂移运动及漂移电流 漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。 漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。 漂移电流大小与电场强度成正比 第一章 半导体器件 5 小结 1、 小结 1、 半导体有两种载流子电子与空穴，靠两者导电，载流子随温度升高而增多。 2、2、 掺入不同杂质将本征半导体变成 N 型或 P 型半导体 N 型半导体：电子为多子（负） ，空穴为少子；P 型半导体空穴为多子（正） ， 电子为少子。 3、3、 半导体有两种导电方式: 漂移电流 电场作用下 电流大小与浓度梯度成正比 扩散电流 载流子浓度差作用下 电流大小与浓度梯度成正比 第一章 半导体器件 6 引言：前面介绍了 N 型与 P 型半导体，这些单独类型的半导体用途不广。如果将 两块不同类型的半导体紧密放在一起会怎样呢？它将形成半导体技术中最重要 的基本单元 PN 结。 1.2 PN 结与晶体二极管 一、PN 结的基本原理 1、PN 结的形成 PN 结的基本原理 1、PN 结的形成 1）在一块本征半导体的两边掺以不同的杂质，使其一边形成 P 型半导体，另一 边形成 N 型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，于是 P 区空穴向 N 区扩散，N 区电子向 P 区扩散。 2）另一方面，随着扩散运动的进行，P 区一边失去空穴留下负离子，N 区一边失 去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。电场方向由 N 区指向 P 区，有利于 P 区和 N 区的少子漂移运动，而阻止多子扩散运动。 PN 结平衡 第一章 半导体器件 7 多子 扩散 多子 扩散 交界处的浓度 差 浓度 差 P区的空穴要 向N区扩散 N区的电子要 向P区扩散 P区留下带负 电的受主离子 N区留下带正 电的施主离 子 内建电场 E E 漂移电流 I 漂移电流 IT T 扩散电流 I 扩散电流 ID D PN 结 动态平衡 多子扩 散空间 电荷区 加厚 电场 增强 扩散减弱 漂移增强 是电场就应有电场强度，多大呢？ U U ： 势垒电压 U U =0.6V （硅材料） 0.2V（锗材料） 小结 小结 （1）载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。 （2）漂移运动等于扩散运动时，PN 结形成且处于动态平衡状态。 （3）扩散电流和飘移电流两者大小相等，方向相反。因此在无外加电场或其它 激发因素时，PN 结没有电流通过。 第一章 半导体器件 8 引言：前面介绍了不加外部电场的情况，如果在 PN 结两端加上电压，将会出现 什么情况呢？ 2、PN 结的特性结的特性 （1） 单向导电性（2） 击穿特性（3） 电容效应 (1)单向导电性单向导电性 * *PN 结加正向电压结加正向电压（正向特性：P 接正，N 接负，多子扩散） a) PN 外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度由 U 下降到 U U，空间 电荷区宽度变窄。 b) P 区和 N 区越过势垒的多数载流子数量大大增加， 形成较大的扩散电流。 打破平衡， TD II。 c) 流过 PN 结的电流主要是多子扩散电流NP 区 外加电压 U 越高阻挡层越窄 l电位差越小扩散电流 D I越大 随外加电压 U 的增加而迅速上升，PN 结呈现为小电阻。 该状态称为：PN 结正向导通。结正向导通。 第一章 半导体器件 9 *PN 结加反向电压结加反向电压(反向特性：P 接负，N 接正，少子漂移） U +U a) PN 结加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度由 U 升高到 U +U，空间 电荷区宽度变宽。%)(ln 2 U n NN VV i da TB 即为= b) 多子扩散受抑制，扩散电流趋于零，少子漂移增强，打破平衡 DT II。 c) 流过 PN 结的电流称为反向饱和电流(基本上不受外加电压影响即 IS)， 由少子 漂移产生，数目很小，在 10-6-10-15A（uA）. 加电压电流小，PN 结呈现为大电阻。该状态称为：PN 结反向截止结反向截止。 小结小结 1、PN 结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN 结导通；PN 结加反 向电压时， 仅有很小的反向饱和电流 IS， 考虑到 IS0， 则认为 PN 结截止。 2、PN 结正向导通、反向截止的特性称为 PN 结的单向导电特性。 第一章 半导体器件 10 (2)击穿特性击穿特性 击穿：PN 结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而 PN 结两端电压基本不变的现象。 击穿不一定导致损坏。击穿不一定导致损坏。 利用 PN 结击穿特性可以制作稳压管。 a)、雪崩击穿(碰撞击穿) *反向电压足够高时空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的载流子 漂移加速，会获得很大的动能，将晶体中的外层电子碰撞出来，成为电子空穴 对。新的载流子在电场作用下获得能量，再撞其他的外层电子连锁反应，犹如 雪崩造成载流子急剧增加反向电流急剧增大称为。 *发生在掺杂浓度小的 PN 结中，击穿电压一般在 6V 以上。 b)、齐纳击穿(隧道击穿) *反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到 105V/cm 以上时，可把共价键 中的电子拉出来，产生电子-空穴对载流子增多，产生击穿现象称为。 *主要在掺杂很重的 PN 结中，击穿电压一般在 6V 以下。 击穿电压在击穿电压在 6V 左右的左右的 PN 结常兼有两种击穿现象。结常兼有两种击穿现象。 第一章 半导体器件 11 (3)电容效应电容效应 前面分析可知，PN 结两端电压的变
