文档介绍：模拟电子技术基础
孙肖子
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半导体物理基础
导体:对电信号有良好的导通性,如绝大多数金属,电解液,以及电离气体。
绝缘体:对电信号起阻断作用,如玻璃和橡胶,其电阻率介于108 ~ 1020 ·m。
半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅(Si) 、锗(Ge) 和***化镓(GaAs)
半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化,这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。
半导体与绝缘体、导体的区别
绝缘体
半导体
导体
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本征半导体
纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。
硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子,称为价电子,其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子,所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表。
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每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有,形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。
当价电子获得足够大的能量,挣脱共价键的束缚,游离出去,成为自由电子,并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。
本征激发产生成对的自由电子和空穴,所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。
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本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴,二者都可以参与导电,统称为载流子。
自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时,自由电子填入空穴,释放出能量,从而消失一对载流子,这个过程称为复合,
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分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度(cm-3) ,
其中 T 为绝对温度(K) ;EG0 为T = 0 K时的禁带宽度, eV, eV;k = 10- 5 eV / K为玻尔兹曼常数;A0为常数,浓度与温度关系极大
N 型半导体和 P 型半导体
本征半导体的导电能力很弱。人工少量掺杂某些元素的原子,可显著提高半导体的导电能力,杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体。
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一、N 型半导体
掺入五价原子,即构成 N 型半导体。每个杂质元素的原子,提供一个自由电子,从而大量增加了自由电子的浓度一一施主电离
多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴
但半导体仍保持电中性
自由电子浓度
少子浓度与温度关系极大
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二、P 型半导体
掺入三价原子,即构成 P 型半导体。P 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子,就提供一个空穴,从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离
多数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子
但半导体仍保持电中性
而少子--自由电子的浓度 np 为
环境温度也明显影响 np 的取值。
空穴浓度
(掺杂浓度)
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漂移电流和扩散电流
半导体中载流子进行定向运动,就会形成半导体中的电流。
半导体电流
半导体电流
漂移电流:在电场的作用下,自由电子会逆着电场方向漂移,而空穴则顺着电场方向漂移,这样产生的电流称为漂移电流,该电流的大小主要取决于载流子的浓度,迁移率和电场强度。
扩散电流:半导体中载流子浓度不均匀分布时,载流子会从高浓度区向低浓度区扩散,从而形成扩散电流,该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。
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PN 结
通过掺杂工艺,一边做成 P 型半导体,另一边做成 N 型半导体,则 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层,称为 PN 结。
PN 结的形成
多子扩散
空间电荷区,内建电场和内建电位差的产生
少子漂移
动态平衡
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