【正文】 較大 。 Pn III ??? 19 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 19 PN 結(jié) 通過(guò)摻雜工藝 ， 把本征半導(dǎo)體的一邊做成 P 型半導(dǎo)體 ， 另一邊做成 N 型半導(dǎo)體 ， 則 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體的交接面處會(huì)形成一個(gè)有特殊物理性質(zhì)的薄層 ， 稱為 PN 結(jié) 。 半導(dǎo)體電流 半導(dǎo)體電流 漂移電流 ： 在電場(chǎng)的作用下，自由電子會(huì)逆著電場(chǎng)方向漂移，而空穴則順著電場(chǎng)方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流， 該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場(chǎng)強(qiáng)度。 P 型半導(dǎo)體中每摻雜一個(gè)雜質(zhì)元素的原子 ， 就提供一個(gè)空穴 ， 從而大量增加了空穴的濃度 一一 受主電離 多數(shù)載流子一一空穴 少數(shù)載流子一一自由電子 但半導(dǎo)體仍保持電中性 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 空位 受主原子 圖 P 型半導(dǎo)體空間晶格結(jié)構(gòu)的平面示意 而自由電子的濃度 np 為 環(huán)境溫度也明顯影響 np 的取值 。 N 型半導(dǎo)體中每摻雜一個(gè)雜質(zhì)元素的原子 ， 就提供一個(gè)自由電子 ， 從而大量增加了自由電子的濃度 一一 施主電離 多數(shù)載流子一一自由電子 少數(shù)載流子一一空穴 但半導(dǎo)體仍保持電中性 +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +4 鍵外電子 施主原子 圖 N 型半導(dǎo)體空間晶格結(jié)構(gòu)的平面示意 熱平衡時(shí) ， 雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度 ni 的平方 ， 所以空穴的濃度 pn為 因?yàn)? ni 容易受到溫度的影響發(fā)生顯著變化 ， 所以 pn 也隨環(huán)境的改變明顯變化 。 根據(jù)摻雜元素的不同 ， 雜質(zhì)半導(dǎo)體分為 N 型半導(dǎo)體 和 P 型半導(dǎo)體 。 禁帶寬度越大，導(dǎo)電性能越差（絕緣性能越好） kTEeTApn 2230ii0G???本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性能對(duì)溫度的變化很敏感； ? 14 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 14 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體 本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)量相對(duì)很少 ，這說(shuō)明 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱 。 復(fù) 合 激發(fā) 禁帶 寬度 導(dǎo)帶 價(jià)帶 ? 13 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 13 T ni (pi) 。共價(jià)鍵 自由電子 ? 12 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 12 平衡狀態(tài)時(shí) ， 載流子的濃度不再變化 。 自由電子和空穴都可以參與導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體不同于金屬（只有自由電子）的區(qū)別之一。 圖 4. 復(fù)合消失一對(duì)自由電子和空穴 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 ? 11 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 11 自由電子（負(fù)電荷）： 部分價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵束縛離開原子而成為自由電子； 自由電子 可以在單晶體中自由移動(dòng)； 空穴（正電荷）： 失去價(jià)電子的共價(jià)鍵處留下一個(gè)空位，即空穴； 空穴的移動(dòng)：相鄰共價(jià)鍵中的電子在空位正電荷的吸引下會(huì)填補(bǔ)這個(gè)空位，即空位發(fā)生了移動(dòng)。 因此 ， 在本征激發(fā)的作用下 ， 本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負(fù)電的 自由電子和帶正電的空穴 ， 二者都可以參與導(dǎo)電 ， 統(tǒng)稱為載流子 。 本征激發(fā)產(chǎn)生成對(duì)的自由電子和空穴 ， 所以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等 。 +4 價(jià)電子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共價(jià)鍵 圖 4. 1 . 2 本征半導(dǎo)體的空間晶格結(jié)構(gòu) 價(jià)電子可以獲得足夠大的能量 ， 掙脫共價(jià)鍵的束縛 ， 游離出去 ， 成為 自由電子 ， 并在共價(jià)鍵處留下帶有一個(gè)單位的正電荷的 空穴 。 +4 帶一個(gè)單位負(fù)電荷的價(jià)電子 最外層軌道 帶四個(gè)單位正電荷的原子核部分 + 14 + 32 硅原子 簡(jiǎn)化模型 鍺原子 圖 4. 1 . 1 硅和鍺的原子模型 ( b ) ( c ) ( a ) ? 9 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 9 每個(gè)原子最外層軌道上的四個(gè)價(jià)電子為相鄰原子核所共有 ， 形成共價(jià)鍵 。 硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個(gè)電子 ， 稱為價(jià)電子 ，每個(gè)價(jià)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷 。 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體在電阻率上并無(wú)絕對(duì)明確的界限，根本區(qū)別在于 性質(zhì) 上。 半導(dǎo)體 ：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 ， 如硅 (Si) 、 鍺 (Ge) 和砷化鎵 (GaAs) 。 絕緣體 ：對(duì)電信號(hào)起阻斷作用 ， 如玻璃和橡膠 ， 其電阻率介于 108 ~ 1020 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 ? 41 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) ? 42 PN結(jié) ? 43 晶體二極管 ? 44 雙極型晶體管 ? 45 場(chǎng)效應(yīng)管 ? 5 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 簡(jiǎn)單介紹半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí) ， 包括本征半導(dǎo)體 ， 雜質(zhì)半導(dǎo)體 ， PN結(jié)；分別討論晶體二極管的特性和典型應(yīng)用電路 ， 雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 、 工作機(jī)理 、 特性和應(yīng)用電路 ， 重點(diǎn)是掌握器件的特性 。模擬電子電路與技術(shù)基礎(chǔ) 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院 主講教師：張進(jìn)成 教材： 模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)（第二版），孫肖子主編，西安電子科技大學(xué)出版社， 2022年 1月 授課順序： 第二篇（半導(dǎo)體器件及集成電路－－原理基礎(chǔ)篇）： 4－ 10章 第一篇（模擬集成電路系統(tǒng)－－應(yīng)用基礎(chǔ)篇）： 1－ 3章 教師聯(lián)系方式： 電子郵件： ： 17532094 電路定義： 把晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元器件及布線連接在一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的電子系統(tǒng)。 電路分類 : 按功能分：模擬電路、數(shù)字電路、數(shù) /?；旌想娐? 按形式分：印制板電路、薄厚膜混合集成電路、半導(dǎo)體集成電路 電路發(fā)展趨勢(shì)： SoC（系統(tǒng)集成、片上系統(tǒng)） 電路的作用： 將人類帶入 智器時(shí)代 。 媒質(zhì) 導(dǎo)體 ：對(duì)電信號(hào)有良好的導(dǎo)通性 ， 如絕大多數(shù)金屬 ， 電解液 ， 以及電離氣體 。m 。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨 溫度、光照和摻雜 等因素發(fā)生顯著變化，這些特點(diǎn)使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。 G r oup 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Perio d 1 1 H 2 He 2 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 3 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 4 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 2 8 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 6 55 Cs 56 Ba * 71 Lu 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 7 87 Fr 88 Ra ? 103 Lr 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 1 1 0 Ds 111 Rg 1 1 2 U ub 1 1 3 U ut 1 1 4 U uq 1 1 5 U up 1 16 U uh 1 1 7 U us 1 1 8 U uo * 鑭系元素 * 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb ? 放射性元素 ? 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No IIIV族半導(dǎo)體 Ga(Al,In)As Ga(Al,In)P Ga(Al,In)N IV族半導(dǎo)體 : Ge, GeSi, Si, SiC, C IIVI族半導(dǎo)體 Zn(Mg,Cd,Hg)O Zn(Mg,Cd,Hg)S 半導(dǎo)體體系 金屬 半導(dǎo)體（豐富多彩） 絕緣體 IV族 IIIV族 IIVI族 Ge Si GeSi SiC C ? Ga(Al,In)As Ga(Al,In)P Ga(Al,In)N ? Zn(Mg,Cd,Hg)O Zn(Mg,Cd,Hg)S ? ? 半導(dǎo)體體系 光電器件 (GaN,GaP) 微波器件 (GaAs,InP) 功率器件 (AlGaN/GaN) 多功能性：生物芯片，壓電傳感器，聲表面波器件，透明電極，納米結(jié)構(gòu) 高溫器件 高壓器件 ? 8 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 8 本征半導(dǎo)體 純凈 的 單晶 半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 。 因?yàn)檎麄€(gè)原子呈電中性 ，而其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價(jià)電子 ， 所以研究中硅和鍺原子可以用簡(jiǎn)化模型代表 。 共價(jià)鍵中的價(jià)電子是不能導(dǎo)電的束縛電子 。 這個(gè)過(guò)程稱為本征激發(fā) 。 空穴 +4 +4 +4 +4 自由電子 圖 4. 1 . 3 本征激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生自由電子和空穴 ? 10 ? 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 10 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 圖 4. 1 .4 價(jià)電子反向遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于空穴移動(dòng) 空穴移動(dòng)方向 價(jià)電子移動(dòng)方向 價(jià)電子的反向遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等價(jià)為空穴在半導(dǎo)體中自由移動(dòng) 。 自由電子和空穴在自由移動(dòng)過(guò)程中相遇時(shí) ， 自由電子填入空穴 ， 釋放出能量 ， 從而消失一對(duì)載流子 ， 這個(gè)過(guò)程稱為復(fù)合 。 空穴的移動(dòng)實(shí)際上是 束縛電子 的反移動(dòng)。 本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體受外界能量（熱、電和光等）激發(fā)，同時(shí)產(chǎn)生電子、空穴對(duì)的過(guò)程。 分別用 ni和pi表示自由電子和空穴的濃度 (cm3) ， 理論上 kTEeTApn 2230ii0G???其中 T 為 絕對(duì) 溫度 (K) ； EG0 為 T = 0 K時(shí)的禁帶寬度 ， 硅原子為 eV， 鍺為 eV； k = ? 10? 5 eV / K為玻爾茲曼常數(shù)； A0為常數(shù) ，硅材料為 ? 1016 cm 3 K? 3 / 2，鍺為 ?