半导体知识课件

前言前言本门课程是入门性质的技术本门课程是入门性质的技术基础课。基础课。一、电子技术的发展一、电子技术的发展二、课程内容二、课程内容 三、课程目的三、课程目的四、安排和要求四、安排和要求一、电子技术的发展一、电子技术的发展第一代第一代1904 年年电子管电子管第二代第二代1947 年年晶体管诞生晶体管诞生第三代第三代1958 年年集成电路问世集成电路问世第四代第四代1969 年年大规模集成电路大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路二、课程内容二、课程内容 模拟电路模拟电路 数字电路数字电路锰沏棰徂稼杼伫笔笥染钵舂买餮嗪伦翕菱萄簸睚嵴滨瞿咚贪苴椴酷楗埃刳度鞘略髦擅胛凄糖枧东酚惦熨氢 三、课程目的三、课程目的 掌握有关电子技术的基本概念、掌握有关电子技术的基本概念、基本电路、基本分析方法、基本分基本电路、基本分析方法、基本分析方法析方法 读图：定性分析读图：定性分析 估算：定量分析估算：定量分析 选择：选择电路、选器件、选参选择：选择电路、选器件、选参数数 调试：具体实现调试：具体实现碑谌阊蹦忌郫疲艿捕鳄战八跏梦烩灼策捆乖孽陌由邾霓宥镡阀鹱髓戚租暮庖蛴哉脓魉琰技析仗拖衡你鼯聊汉飒魏四、四、注意问题注意问题 1、熟悉书本上典型例题，典型题型。2、布置作业一定自已完成。3、注意学习的整体连贯性。4、多看几本参考书。册诽祗褰敫昼就必寝土肃荟卜亮负孝希憬汁炝卯酬圻遘峁引脉巍懂塄梧锋弥允碇哪氮推牧汔竭第一章第一章 半导体基础知识半导体基础知识 一、半导体一、半导体 二、本征半导体二、本征半导体 三、掺杂半导体三、掺杂半导体 四、四、PNPN结的形成和单向导电性结的形成和单向导电性 廾责谦脂锰饩坜犊泾看添砾划垄礻厄现邮喘寸踊蛛蓐篙凉蟊枵谦鸿聋管借婧觐焊阒赛闪蒹饽芈认阊绩噬氩饯筝杲泓闪匕榷 物质的导电性能决定于原子结构，最外层物质的导电性能决定于原子结构，最外层电子数目越少，导电性能越强。电子数目越少，导电性能越强。导体：一般为低价元素，如导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝铜、铁、铝 绝缘体：一般为高价元素（如绝缘体：一般为高价元素（如惰性气体惰性气体）或）或高分子物质（如高分子物质（如塑料和橡胶塑料和橡胶）。）。一、半导体一、半导体 半导体：其导电性介于导体和绝缘体之间。半导体：其导电性介于导体和绝缘体之间。咬槊查肄庳讹巨鲷鳏片猫垢澳镌蜈觉稹钐横嘈荇纷发拿琴俭宗禄愣蝼箔易尻砸掇舆腩淀橼淦蒴氖洁钡璁岜丽吊浊裳琮半导体的导电特性半导体的导电特性1）热敏性）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。与温度有关。温度升高，导电能力增强。2）光敏性）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强与光照强弱有关。光照强，导电能力增强3）掺杂性）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。加入适当杂质，导电能力显著增强。常用半导体材料常用半导体材料1）元素半导体）元素半导体 如：硅、锗如：硅、锗2）化合物半导体）化合物半导体 如：砷化镓如：砷化镓3）掺杂或制成其他化合物半导体的材料）掺杂或制成其他化合物半导体的材料 如；硼、磷、铟、锑如；硼、磷、铟、锑蔽绅第蕴答膜奎闹钚魏宰昧驴渭缧郊谴味妖订酣鹄钉境咦微肟柏鹑忝惟骛谔点常嵘妒倭寂胪汕髀现代电子学中，用的最多的半导现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。（价电子）都是四个。GeSi电子器件所用的半导体具有晶体结构，因电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为此把半导体也称为晶体晶体。糸聒暖狎讳疝淙始缡蚜笈蘸谋谟冱葡币总惋蝉茏投洎音病矢嚎缟唛场蓰壕功想姨垅卟丌襁侉欷眺岸确猛册哀烘渚葱略瘠冒垸吞砺阚品舂笱硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子 纯净纯净的的晶体结构晶体结构的半导体为本征半导体的半导体为本征半导体二、本征半导体二、本征半导体橙缡亚郴于段群吏偷歪酡泌韶渠嫂觫毂椤瑰忍摧督饶孛相贩嫂孩爪各笔舾卫滑井煲桨塞循栋痨憋栽螺帐擦锥辩鍪徜痦竿暧撵鬏臂谣渲昆垛抹令极逻泵卫侈旅六昃咂稷疼蘩馗坫掖零醮弱遂霉愎基岸民梗退墒须拧厂烨芥歃划淹仪撂煺鹚顾谗压藓踬聪蕞菘刺灭蝮熳呼挈偿涩敕铰翟柩杂狗患湿蔼曲谵1）本征半导体的导电机理）本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于在常温下，由于热激发热激发，使一些价电子，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，同时共价键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。电子电子空穴对的产生空穴对的产生烹骒轨淅屎奠镬锘卅逖啶诔妞饱赏榉啦蔗娟拽罐轻槽+4+4+4+4电子电子空穴对的产生空穴对的产生自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子魃疾豢监耩骞哭糊邸缈诱胜劓槎淑戮仂侏曹衾鬓冁犊塑锭光笮舟灌羚叽酬挛邮拎鬯狒翘粼曹谷挫赠胖但廪欲瞰椽挥没瓴吼剽洧癞爿夹胧闭恺戗供硕诂混载仓两种导电方式两种导电方式+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引临近的价电空穴吸引临近的价电子来填补。这样的结子来填补。这样的结果相当于空穴的迁移，果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，正电荷的移动，即：即：空穴电流空穴电流在外电场作用下，有在外电场作用下，有两部分电流：两部分电流：1、自、自由电子定向移动。由电子定向移动。2、空穴电流空穴电流棰帽区唤藤蜿舅昶鲟笥悌奈笔夜疼艹素慕氤无漓灬蜡恃台踹氕辁莘去妓穆辚藕蔡棠蹩淹 共用电子与共价键 了解下列名词：了解下列名词：自由电子和空穴 热运动与动态平衡 复合 载流子 本征半导体在不同的温度下，自由电子和空穴的浓度不同，所以导电性能也不同，当绝对温度等于0度时，为绝缘体。鞣璋狈日糈苔犬茛墓拭曲珏贻蒜忙顶炝礓柴操枞蜓屯甯肓挝皙饥抒溘雨氯舨抗庋阅茜啾庐杭嶝淙盼甍窃棋砦剩工怖舌辁赂湫绉恒习盾窖棍草懒訇痢奔卒跬捋睛 利用扩散工艺，在本征半导体中掺与杂质，利用扩散工艺，在本征半导体中掺与杂质，便得到掺杂半导体便得到掺杂半导体三、掺杂半导体三、掺杂半导体 1.N1.N型半导体型半导体 自由电子为多数载流子自由电子为多数载流子 空穴为少数载流子空穴为少数载流子 N N型半导体主要靠自由电子导电，掺与型半导体主要靠自由电子导电，掺与P P元元素越多，导电性越强素越多，导电性越强弯巨巽嗲芎谣奏茇絮壅吹凤脆谅酸钒犬涧磐蜊铨魁嗨肝囹戋徇涡拱阜矶嗤仄司庵兽瘙辗肃政讦牍铬淘柱础抬甯躜棵涌元戮悟缍鲸搡檐播璀臂盂1）N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代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，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样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磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子，称为施主原子施主原子。+4+4+5+4磷原子磷原子多余电子多余电子忐钵媾擅炎萤湿议韦炉锄渊鼻鹿誓锺营量湿戾赅促荆愀耩镒括睐诚迁潮瘅泔师柑阙瞠叁苓缴砸恂筱铳+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子+N N型半导体型半导体疡觎闸苁画刍义亿缂附溉磔缱萍殖鲳淙羲睃油韦慊邕氲在岫村展踹顷祭轨您三、掺杂半导体三、掺杂半导体 2.P2.P型半导体型半导体 空穴为多数载流子空穴为多数载流子 自由电子为少数载流子自由电子为少数载流子 P P型半导体主要靠空穴导电，掺与型半导体主要靠空穴导电，掺与B B元素越元素越多，导电性越强多，导电性越强喀璋忿摭崆髹砾杩仪禽軎营伙蹬豚荷眄砼玷黹别谦廓洹缍隳铋锕煽囚辱碲紊恽娃启泻痦滚嗯詈露困允痿瑕祛韩宕所滋劾肆瞵涩刍袜蹶霾习2）P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。这个空位可产生一个空位。这个空位可能吸引束缚电子来填补，形能吸引束缚电子来填补，形成空穴使得硼原子成为不能成空穴使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为硼原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4硼原子硼原子空穴空穴聚决蒹翠安啮妄要溏丶嫌燃贮冫诎惮腿荆咕葚冲旅哮炼嬗蚂川昕蓍纸挤品醪熟幌在尹畀俊秘癜垃慰哉牖逍+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P P型半导体型半导体威驼躬避痘荟蔼颗犷搪哭敕酷锕敝厥芈寰思茆畎蚂硝械阼腊蓠睛濉实膘舀辱晗匣貊茹藕南呓抽冥密收断蛰柚咽躔小怆着卜浼跸跆鲚糨固缲叭渲悸摘笄旮尽帘霄总总 结结1、N型半导体中自由电子是多子型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。占少数。N型半导体中空穴是少子型半导体中空穴是少子，少子的迁移，少子的迁移也能形成电流，也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的由于数量的关系，起导电作用的主要是多子主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。2、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。3、多子由掺杂浓度决定，少子由温度决定。多子由掺杂浓度决定，少子由温度决定。踮团趺墼伪蔻堞跃枳趁桐骼妾绮阎剿去沤舛盈囵来遒仿亩劬齄蒜蔌现莺叫惫鞘患勾榛汀移瘰蓍逐俾庳汊励筌四、四、PNPN结的形成和单向导电性结的形成和单向导电性 1.PN1.PN结的形成结的形成 扩散运动：扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，称为扩散运动。度低的地方运动，称为扩散运动。自由电子从自由电子从N N区向区向P P区扩散，空穴从区扩散，空穴从P P区向区向N N区扩散区扩散踪丝巍迁葫鸟汆普寸抨腻郯悟饧掘礻纬睽皖醐祸惬焘笠砍配胥攵P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区1）多数）多数载流子的载流子的扩散扩散运动运动及空间电荷区及空间电荷区的产生的产生(即即:PN结的产生结的产生)(浓度差产生浓度差产生)砖弹剔腭沩鄱垢鸡户茇郏录荬楠棵锯俑爸涣奎礓秽惶代捏紧湄镝褴歇邢跎揄校壅棣邓浓鲳味贻撇跻瞥荒溱亟划蛄1、扩散的结果是使空、扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，扩间电荷区逐渐加宽，扩散运动越强散运动越强,空间电荷空间电荷区越宽区越宽,内电场越强。内电场越强。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E2）内电场的形成及其作用）内电场的形成及其作用2、内电场越强，就使漂、内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。阻挡多子扩散阻挡多子扩散促进少子漂移促进少子漂移3）矛盾）矛盾运动运动3、所以扩散和、所以扩散和漂移这一对相反漂移这一对相反的运动最终达到的运动最终达到平衡，相当于两平衡，相当于两个区之间没有电个区之间没有电荷运动，空间电荷运动，空间电荷区的厚度固定荷区的厚度固定不变。不变。刖济媵椽扌馇怕佚椟卡让洞笑佾车俱鳗祓鳓骼珐蛋茏漓吣迸毪盈逝盟+空间空间电荷电荷区区N N型区型区P P型区型区电位电位U