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1、第一章 集成电路元器件基础,第一节 半导体基础知识,一、固体按导电性能可分为三类：,导体： 绝缘体： 半导体：,如：金、银、铜、铝等,如：云母、陶瓷等,如：硅Si、锗Ge、砷化镍GaAs等,一、半导体的特性：,杂质、温度、光照对影响较大,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,1、Si、Ge原子结构模型,三、本征半导体,2、共价键结构,3、本征激发,自由电子,空穴,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴带单位正电荷,自由电
2、子位带单位负电荷,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴带单位正电荷,自由电子位带单位负电荷,空穴也是一种载流子,两种载流子,在外电场作用下电子空穴运动方向相反,Eg一般与半导体材料和温度T有关,1 .T=0K且无外界能量激发时Eg0较大，价电子全部束缚在共价键中，导带无自由电子。此时的本征半导体相当于绝缘体,价电子获得能量,自由电子和空穴成对出现,2、本征激发,3、本征载流子,(1)本征激发,自由电子,空穴,本征激发产生自由电子和空穴,自由电子,空穴,复合,复合,3、本征载流子,(1)本征激发,随机碰撞,复合,复合,本征半导体中的自由电
3、子浓度ni空穴浓度pi总是相等的,可制作热敏元件,影响半导体器件的稳定性,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导体,四、杂质半导体,N型半导体（掺入5价元素杂质）,P型半导体（掺入3价元素杂质）,分类,在本征半导体中掺入5价的杂质（砷、磷、锑）就成为N型半导体,杂质原子提供多余电子称为施主杂质-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,施主能级,（一）N型半导体,N型半导体的特点,1、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，不能起导电作用,2、在室温下，多余的电子全部被激发为自由电子，故N型半导体中自由电子数目很高，n
4、i大，主要靠电子导电，故称为电子半导体。,3、在N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穴浓度。,在N型半导体中，自由电子是多数载流子（多子）空穴对是少数载流子（少子） 。,在本征半导体中掺入3价的杂质（B硼）就成为P型半导体,杂质原子接受电子称为受主杂质-负离子,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,（二）P型半导体,1、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,在P型半导体中，空穴是多数载流子（多子）自由电子对是少数载流子（少子）
5、 。,2、在室温下，3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P型半导体中空穴数目很高，Pi大，主要靠空穴，故称为空穴半导体。,3、在P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：ni=pi,杂质半导体掺杂越多,多子浓度越多,少子浓度越少,杂质半导体中载流子的产生,杂质电离产生多子,本征激发产生多子和少子,两种载流子的浓度的关系,1、热平衡条件,温度一定时，两种载流子浓度之和，等于本征浓度的平方。,N型半导体：,P型半导体：,2、电中性条件：,整块半导体的正电荷与负电荷恒等
6、,P型半导体：,NA表示受主杂质浓度：,No表示施主杂质浓度：,N型半导体：,一般总有Nopn NAnp,多子浓度等于掺杂浓度与温度无关,少子浓度与本征浓度有关，随温度升高而增加，是半导体元件温度漂移的主要原因,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,由于电场引起的定向运动-漂移运动（漂移电流）,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）,（一）漂移电流,空穴的电流密度：Jpt,电子的电流密度：Jnt,总的漂移的电流密度：Jt=Jpt+Jnt,（二）扩散电流,载流子注入或光照作用,非平衡载流子,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）,载流子的浓度梯度,扩散运动,扩散电流,用 , 表示非平衡空穴和电子的浓度梯度，,则沿x方向的扩散电流密度分别为,注意：扩散电流与电场强度无关,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）,