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1、第一章第一章 集成电路元器件基础集成电路元器件基础第一节第一节 半导体基础知识半导体基础知识一、固体按导电性能可分为三类：一、固体按导电性能可分为三类：导体：导体：绝缘体：绝缘体：半导体：半导体：如：金、银、铜、铝等如：金、银、铜、铝等如：云母、陶瓷等如：云母、陶瓷等如：硅如：硅Si、锗锗Ge、砷化镍砷化镍GaAs等等一、半导体的特性：一、半导体的特性：杂质、温度、光照对杂质、温度、光照对影响较大影响较大定义：没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体定义：没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体（一）本征半导体的共价键结构（一）本征半导体的共价键结构1、Si、Ge原子结构模型原子结构模型+14Si+3
2、2Ge+4价电子价电子惯性核惯性核三、本征半导体三、本征半导体2、共价键共价键结构结构+4+4+4+4+4+4+4+4+43、本征激发、本征激发+4导带导带价带价带Eg禁带禁带导带导带价带价带Eg禁带禁带导带导带价带价带Eg禁带禁带自由电子自由电子空穴空穴空穴带单空穴带单位正电荷位正电荷自由电子位带自由电子位带单位负电荷单位负电荷空穴带单空穴带单位正电荷位正电荷自由电子位带自由电子位带单位负电荷单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴带单空穴带单位正电荷位正电荷自由电子位带自由电子位带单位负电荷单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴带单空穴带单位正电荷位正电荷自由电子位带
3、自由电子位带单位负电荷单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴带单空穴带单位正电荷位正电荷自由电子位带自由电子位带单位负电荷单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴带单空穴带单位正电荷位正电荷自由电子位带自由电子位带单位负电荷单位负电荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴也是一空穴也是一种载流子种载流子自由电子自由电子空穴空穴两种载流子两种载流子在外电场作用下电在外电场作用下电子空穴运动方向相子空穴运动方向相反反T=300K（室温室温)时时Eg(Si)=1.12eVEg(Ge)=0.72eVEg一般与半导体材料和温度一般与半导体材料和温度T有关有关T=0K（-273.1
4、6oC)时时Eg0(Si)=1.21eVEg0(Ge)=0.785eV导带导带价带价带Eg禁带禁带+4+4+4+4+4+4+4+4+41 .T=0K且无外界能量激发时且无外界能量激发时Eg0较大，价电子全部束较大，价电子全部束缚在共价键中，导带无自由电子。此时的本征半导体缚在共价键中，导带无自由电子。此时的本征半导体相当于绝缘体相当于绝缘体当当T (or光照光照)价电子获得能量价电子获得能量导带导带价带价带Eg禁带禁带跃迁导带跃迁导带+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴位于导带位于导带-位于价带位于价带-自由电子自由电子和空穴成和空穴成对出现对出现2、本征激发本征激发3
5、、本征载流子本征载流子(1)本征激发本征激发自由电子自由电子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴本征激发产生自由电子和空穴本征激发产生自由电子和空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴复合复合+4+4+4+4+4+4+4+4+4复合复合3、本征载流子本征载流子(1)本征激发本征激发自由电子自由电子空穴空穴(2)空穴空穴自由电子自由电子随机碰撞随机碰撞复合复合空穴消失空穴消失自由电子自由电子(3)本征激发本征激发复合复合本征半导体中的本征半导体中的自由电子浓度自由电子浓度ni空穴浓度空穴浓度pi总是总是相等相等的的温度温度ni pi导电能力
6、导电能力可制作热敏元件可制作热敏元件影响半导体器件的影响半导体器件的稳定性稳定性光照光照ni pi导电能力导电能力可制作光电元件可制作光电元件定义：人为掺入一定杂质成份的半导体称杂质半定义：人为掺入一定杂质成份的半导体称杂质半导体导体四、杂质半导体四、杂质半导体N型半导体（掺入型半导体（掺入5价元素杂质）价元素杂质）P型半导体（掺入型半导体（掺入3价元素杂质）价元素杂质）分类分类+4+4+4+4+4+4+4+5+4在本征半导体在本征半导体中掺入中掺入5价的价的杂质（砷、磷、杂质（砷、磷、锑）就成为锑）就成为N型半导体型半导体杂质原子提供多杂质原子提供多余电子称为施主余电子称为施主杂质杂质-正离
7、子正离子多余电子位于施主能级在室温下进入导带成为自由电子多余电子位于施主能级在室温下进入导带成为自由电子导带导带价带价带Eg禁带禁带施主能级施主能级导带导带价带价带Eg禁带禁带（一）一）N型半导体型半导体N型半导体的特点特点1、施主原子在提供多余电子的同时并不产生空施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格中不能移动，不穴，而成为正离子被束缚在晶格中不能移动，不能起导电作用能起导电作用+4+4+4+4+4+52、在室温下，多余的电子全部被激发为自由电在室温下，多余的电子全部被激发为自由电子，故子，故N型半导体中自由电子数目很高，型半导体中自由电子数目很高，ni大，大，主
8、要靠电子导电，故称为电子半导体。主要靠电子导电，故称为电子半导体。3、在在N型半导体中，同样存在本征激发，产生电型半导体中，同样存在本征激发，产生电子空穴对，但数目很小，自由电子浓度远大于空子空穴对，但数目很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。穴浓度。在在N型半导体中，型半导体中，自由电子自由电子是多数载流子（是多数载流子（多子多子）空穴空穴对是少数载流子（对是少数载流子（少子少子） 。+4+4+4+4+4+4+4+3+4在本征半导体在本征半导体中掺入中掺入3价的价的杂质（杂质（B硼）硼）就成为就成为P型半型半导体导体杂质原子接受杂质原子接受电子称为受主电子称为受主杂质杂质-负离负离子子受主原子位
9、于受主能级在室温下产生空位（位于价带）受主原子位于受主能级在室温下产生空位（位于价带）受主能级受主能级（二）二）P型半导体型半导体导带导带价带价带Eg禁带禁带导带导带价带价带Eg禁带禁带+4+4+4+4+4+4+4+3+41、受主原子接受电子在价带中产生一个空穴，受主原子接受电子在价带中产生一个空穴，但并不在导带中产生电子，而在晶格中留下一个但并不在导带中产生电子，而在晶格中留下一个负离子。负离子不能自由移动，不起导电作用。负离子。负离子不能自由移动，不起导电作用。P型半导体的特点特点在在P型半导体中，型半导体中，空穴空穴是多数载流子（是多数载流子（多子多子）自自由电子由电子对是少数载流子（对
10、是少数载流子（少子少子） 。+4+4+4+4+4+32、在室温下，在室温下，3价受主原子产生的空穴全部可被价受主原子产生的空穴全部可被被激发为价带中的空穴，故被激发为价带中的空穴，故P型半导体中空穴数型半导体中空穴数目很高，目很高，Pi大，主要靠空穴，故称为空穴半导体。大，主要靠空穴，故称为空穴半导体。3、在在P型半导体中，同样存在本征激发，产生电型半导体中，同样存在本征激发，产生电子空穴对，但数目很小，空穴浓度远大于自由电子空穴对，但数目很小，空穴浓度远大于自由电子浓度。子浓度。 （三）杂质半导体中的载流子浓度三）杂质半导体中的载流子浓度本征半导体中载流子由本征激发产生：本征半导体中载流子由
11、本征激发产生：ni=pi杂质半导体掺杂越多杂质半导体掺杂越多多子浓度越多多子浓度越多少子浓度越少少子浓度越少杂质半导体中杂质半导体中载流子的产生载流子的产生杂质电离产生多子杂质电离产生多子本征激发产生多子和少子本征激发产生多子和少子两种载流子的浓度的关系两种载流子的浓度的关系1、热平衡条件、热平衡条件温度一定时，两种载流子浓度之温度一定时，两种载流子浓度之和，等于本征浓度的平方。和，等于本征浓度的平方。N型半导体：型半导体：P型半导体：型半导体：2、电中性条件：电中性条件：整块半导体的正电荷与负电荷恒等整块半导体的正电荷与负电荷恒等P型半导体：型半导体： NA表示受主杂质浓度：表示受主杂质浓度
12、：No表示施主杂质浓度：表示施主杂质浓度：N型半导体：型半导体：一般总有一般总有Nopn NAnpN型：型：nnNo所以所以P型：型：ppNa多子浓度等于掺杂多子浓度等于掺杂浓度与温度无关浓度与温度无关pnni2/Noppni2 /Na少子浓度与本征浓度少子浓度与本征浓度有关，随温度升高而有关，随温度升高而增加，是半导体元件增加，是半导体元件温度漂移的主要原因温度漂移的主要原因五、载流子在半导体内的运动五、载流子在半导体内的运动电子和空穴的定向运动引起电流电子和空穴的定向运动引起电流由于电场引起的定向运动由于电场引起的定向运动-漂移运动（漂移电漂移运动（漂移电流）流）由于载流子的浓度梯度引起的
13、定向运动由于载流子的浓度梯度引起的定向运动-扩散运动（扩散电流）扩散运动（扩散电流）（一）漂移电流（一）漂移电流EV空穴的电流密度：空穴的电流密度：Jpt电子的电流密度：电子的电流密度：Jnt总的漂移的电流密度：总的漂移的电流密度：Jt=Jpt+Jnt（二）扩散电流（二）扩散电流载流子注入载流子注入或光照作用或光照作用非平衡载流子非平衡载流子由于载流子的浓度梯度引起的定向运动由于载流子的浓度梯度引起的定向运动-扩散运动（扩散电流）扩散运动（扩散电流）载流子的浓度梯度载流子的浓度梯度扩散运动扩散运动扩散电流扩散电流x x光光照照n (x)p (x)载流子浓度载流子浓度热平衡值热平衡值热平衡值热平衡值xN型半导体载流子的扩散型半导体载流子的扩散用用 , 表表示非平衡空穴和电子示非平衡空穴和电子的浓度梯度，的浓度梯度， 则沿则沿x方向的扩散电流方向的扩散电流密度分别为密度分别为 注意：扩散电流与电场强度无关注意：扩散电流与电场强度无关, ,与载流子浓度也无关，与载流子浓度也无关， 主要决定于载流子的浓度梯度（或浓度差）主要决定于载流子的浓度梯度（或浓度差）
