半导体的基本知识
半导体知识点总结大全
半导体知识点总结大全引言半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能阻止电流的材料。
它是电子学领域中最重要的材料之一，广泛应用于集成电路、光电器件、太阳能电池等领域。
本文将对半导体的知识点进行总结，包括半导体基本概念、半导体的电子结构、PN结、MOS场效应管、半导体器件制造工艺等内容。
一、半导体的基本概念（一）电子结构1. 原子结构：半导体中的原子是由原子核和围绕原子核轨道上的电子组成。
原子核带正电荷，电子带负电荷，原子核中的质子数等于电子数。
2. 能带：在固体中，原子之间的电子形成了能带。
能带在能量上是连续的，但在实际情况下，会出现填满的能带和空的能带。
3. 半导体中的能带：半导体材料中，能带又分为价带和导带。
价带中的电子是成对出现的，导带中的电子可以自由运动。
（二）本征半导体和杂质半导体1. 本征半导体：在原子晶格中，半导体中的电子是在能带中的，且不受任何杂质的干扰。
典型的本征半导体有硅（Si）和锗（Ge）。
2. 杂质半导体：在本征半导体中加入少量杂质，形成掺杂，会产生额外的电子或空穴，使得半导体的导电性质发生变化。
常见的杂质有磷（P）、硼（B）等。
（三）半导体的导电性质1. P型半导体：当半导体中掺入三价元素（如硼），形成P型半导体。
P型半导体中导电的主要载流子是空穴。
2. N型半导体：当半导体中掺入五价元素（如磷），形成N型半导体。
N型半导体中导电的主要载流子是自由电子。
3. 载流子浓度：半导体中的载流子浓度与掺杂浓度有很大的关系，载流子浓度的大小决定了半导体的电导率。
4. 质量作用：半导体中载流子的浓度受温度的影响，其浓度与温度成指数关系。
二、半导体器件（一）PN结1. PN结的形成：PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散结合形成的。
2. PN结的电子结构：PN结中的电子从N区扩散到P区，而空穴从P区扩散到N区，当N区和P区中的载流子相遇时相互复合。
3. PN结的特性：PN结具有整流作用，即在正向偏置时具有低电阻，反向偏置时具有高电阻。
半导体的基本 知识
们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、 墟泊、陶瓷等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、 银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单地把介于导和绝缘体之间 的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚 的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存 在才真正被学术界认可。 • 半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪 最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情 况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的
• 半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大 类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括l一V族化合物 (砷化嫁、磷化嫁等),II一VI族化合物(硫化福、硫化锌等)、氧化物(锰、 铬合物组成的 固溶体(嫁铝砷、嫁砷磷等)。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻 璃半导体、有机半导体等。
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第一节 半导体的基本知识
• 三、杂质半导体 • 半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形
成杂质半导体，一般可分为N型半导体和P型半导体。半导体中掺入 微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状 态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施 主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。例 如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂 质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅) 原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢 浅能级一施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带 激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此 对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电 子，属电子导电型，称为N型半导体。
第三节 半导体
第三节半导体
半导体是当今电子行业最基础的材料之一，其作用和意义不容小觑。
在此我们将深入探讨半导体的相关知识。
一、什么是半导体？
半导体是指在室温下，其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
有
时也被称为半导体晶体。
二、半导体的种类
从其晶体结构来看，半导体可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅等。
三、半导体的应用
1、集成电路 - 由于半导体表现出了半导体-绝缘体-金属场效应，能
够强制控制流经半导体器件的电流强度和方向，因此可用于制作各种
逻辑、振荡器等集成电路。
2、光电器件 - 利用半导体光电特性制作出的器件，如太阳能电池、发光二极管、激光器等。
3、功率器件 - 利用半导体导电性能和电特性，制作出高变换效率、低损耗、高可靠性的功率电子元器件，如IGBT器件等。
4、传感器 - 利用半导体的光电、温度、湿度、压力等特性制作出的传感器器件。
四、半导体技术的发展趋势
1、晶体管微型化和集成化 - 在实际应用中，需要更高的速度、更小的面积和功耗，因此晶体管制作微型化和集成化是半导体技术的重要趋势。
2、功率器件的高效率和大功率 - 随着人们生活水平的提高，需要更高效、更可靠、更节能的电子设备，因此功率器件的高效率和大功率是半导体技术的趋势。
3、新型材料的开发 - 蓝宝石、碳化硅等新型材料在一定应用领域已得到广泛的应用，半导体技术发展也将趋于多样化。
总而言之，半导体技术因其广泛的应用领域和重要的作用被越来越广泛地关注着，也将成为电子行业长期的研究方向之一。
半导体基础知识
容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半 导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思， 一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导 电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质） 所形成的半导体。杂质半导体有两类：N 型半导体和 P 型半导体。
多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此 处受到破坏。
7．常用半导体材料的晶体生长方向有几种？
我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的，因此单晶表现出各向异性。单晶生长的这种方向直接来自晶 格结构，常用半导体材料的晶体生长方向是<111>和<100>。
29．半导体芯片制造对厂房洁净度有什么要求？
空气中的一个小尘埃将影响整个芯片的完整性、成品率，并影响其电学性能和可*性，所以半导体芯片制造工艺需 在超净厂房内进行。1977 年 5 月，原四机部颁布的《电子工业洁净度等级试行规定》如下：
电子工业洁净度等级试行规定
洁净室等 洁净度 温度（℃） 相对湿度 正压值 噪声
电阻率 ρ=1/σ，单位为 Ω*cm
9．PN 结是如何形成的？它具有什么特性？
如果用工艺的方法，把一边是 N 型半导体另一边是 P 型半导体结合在一起，这时 N 型半导体中的多数载流子电子 就要向 P 型半导体一边渗透扩散。结果是 N 型区域中邻近 P 型区一边的薄层 A 中有一部分电子扩散到 P 型区域中去了， 如图 2-6 所示（图略）。薄层 A 中因失去了这一部分电子 而带有正电。同样，P 型区域中邻近 N 型区域一边的薄层 B 中有一部分空穴扩散到 N 型区域一边去了，如图 2-7 所示（图略）。结果使薄层 B 带有负电。这样就在 N 型和 P 型两 种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层 A 和 B（其中 A 带正电，B 带负电）。A、B 间便产生了一个电场， 这个带电的薄层 A 和 B，叫做 PN 结，又叫做阻挡层。
半导体基础知识
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 （价电子）都是四个。
Ge
Si
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流…… 4）按频率分：高频和低频
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2）内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反－ － － － － － 运动最终达到 衡，相当于两－ － － － － － 区之间没有电－ － － － － － 运动，空间电 区的厚度固定－ － － － － － 变。
在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位， 称为空穴。
半导体基础知识
一．名词解释：1..什么是半导体？半导体具有那些特性？导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体热敏性：导电能力受温度影响大，当环境温度升高时，其导电能力增强。
可制作热敏元件。
光敏性：导电能力受光照影响大，当光照增强时候，导电能力增强。
可制作光敏元件。
掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。
2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。
Si是一种化学元素，在地壳中含量仅次于氧，其核外电子排布是？。
3.半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。
电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N型半导体的掺杂元素为磷。
P型半导体主要空穴导电，N型半导体主要靠电子导电。
4. 导体：导电性能良好，其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流，常见的导体有铁，铝，铜等低价金属元素。
5.绝缘体：一般情况下不导电，其原子的最外层电子受原子核束缚很强，只有当外电场达到一定程度才可导电。
惰性气体，橡胶等。
6.半导体：一般情况下不导电，但在外界因素刺激下可以导电，例如强电场或强光照射。
其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。
Si,Ge等四价元素。
7. 本征半导体：无杂质的具有稳定结构的半导体。
8晶体：由完全相同的原子，分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料，构成晶体的完全相同的原子，分子，原子团称为基元。
9.晶体结构：简单立方，体心立方，面心立方，六角密积，NACL结构，CSCL结构，金刚石结构。
10.七大晶系：三斜，单斜，正交，四角，六角，三角，立方。
11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式：SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2OSI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H212.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。
常见的晶体有硅，锗，铜，铅等。
常见的非晶体有玻璃，塑料，松香等。
晶体和非晶体可以从三个方面来区分：1.晶体有规则的外形 2.晶体具有一定的熔点 3.晶体各向异性。
半导体基础知识
半导体基础知识 Prepared on 24 November 2020一．名词解释：1..什么是半导体半导体具有那些特性导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体热敏性：导电能力受温度影响大，当环境温度升高时，其导电能力增强。
可制作热敏元件。
光敏性：导电能力受光照影响大，当光照增强时候，导电能力增强。
可制作光敏元件。
掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。
2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。
Si是一种化学元素，在地壳中含量仅次于氧，其核外电子排布是。
3.半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。
电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N型半导体的掺杂元素为磷。
P型半导体主要空穴导电， N型半导体主要靠电子导电。
4. 导体：导电性能良好，其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流，常见的导体有铁，铝，铜等低价金属元素。
5.绝缘体：一般情况下不导电，其原子的最外层电子受原子核束缚很强，只有当外电场达到一定程度才可导电。
惰性气体，橡胶等。
6.半导体：一般情况下不导电，但在外界因素刺激下可以导电，例如强电场或强光照射。
其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。
Si,Ge等四价元素。
7. 本征半导体：无杂质的具有稳定结构的半导体。
8晶体：由完全相同的原子，分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料，构成晶体的完全相同的原子，分子，原子团称为基元。
9.晶体结构：简单立方，体心立方，面心立方，六角密积， NACL结构，CSCL结构，金刚石结构。
10.七大晶系：三斜，单斜，正交，四角，六角，三角，立方。
11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式：SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2OSI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H212.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。
半导体的基本知识
半导体的基本知识1、物质的分类按照导电能力的大小可以分为导体、半导体和绝缘体。
导电能力用电阻率衡量。
导体：具有良好导电性能的物质，如铜、铁、铝电阻率一般小于10－4Ω•cm绝缘体：导电能力很差或不导电的物质，如玻璃、陶瓷、塑料。
电阻率在108Ω•cm以上半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如锗、硅。
纯净的半导体硅的电阻率约为241000Ω•cm2、半导体的特性与导体、绝缘体相比，半导体具有三个显著特点：（1）电阻率的大小受杂质含量多少的影响极大，如硅中只要掺入百万分之一的杂质硼，硅的电阻率就会从241000Ω•cm下降到0.4Ω•cm，变化了50多万倍；（2）电阻率受环境温度的影响很大。
例如：温度每升高8℃时，纯净硅的电阻率就会降低一半左右；金属每升高10℃时，电阻率只增加4％左右。
热敏电阻：正温度系数—随着温度的升高，电阻阻值增加。
负温度系数―随着温度的升高，电阻阻值减小。
（3）光线的照射也会明显地影响半导体地导电性能。
光敏电阻3、半导体的结构半导体材料锗和硅都是四价元素，它们原子核外层有四个价电子。
正常情况下电子受原子核的束缚，不能任意移动，所以导电性能差。
因为物体的导电是靠带电荷的粒子定向移动来实现的。
当向半导体内掺入杂质后，晶体内部原有的平衡被打破，当掺入硼原子时，它外层原有的三个价电子和周围的硅原子中的价电子形成“共价键”。
这时硅原子不再呈电中性，好像失去了一个带负电的价电子，留下空位，称它为”空穴”。
由于空穴有接收电子的性质，相当于一个正电荷。
当掺入磷原子，它外层有五个价电子，形成共价键时就多出了一个价电子。
此电子可以自由参加导电。
把半导体中载运电荷的粒子称为载流子，带负电的自由电子和带正电的空穴都是半导体中的载流子。
在掺杂的半导体中电子和空穴的数目是不相等的，这就有多数载流子和少数载流子之分。
半导体基本知识
N沟MOS管：（结构 示意图，符号表示） / P沟MOS管：（结 构示意图，符号表示）
IC制造的特殊要求：隔离岛技术
集成电路中器件的特点：都需要从 硅片上表面引出电极。
NPN管结构（纵向）
PNP管结构（横向）
集成电阻：由条状硼扩散区构 成
集成电容：和普通的平行板电容不同，是由掺浓磷的 硅表面和铝层分别构成电容的两极。
PN 结 的 伏 安 特 性 曲 线 ： PN 结 的 正 反 向 电压电流特性曲线。
二极管 三极管
NPN三极管：（结构示意图，符号表示， 实际结构图） / PNP三极管：（结构示意图，符号表示， 实际结构图）
三极管的电流放大 作 用 ： hFE=Ic / Ib, β =∆Ic /∆Ib (共射极 电流放大系数) / β 值是三极管最重要的 参数之一，其值一般 在30~200之间。 / 三 极管有放大作用的充 要条件：发射结正偏， 集电结反偏。
本征半导体，P型半导体，N型 半导体
本征半导体：纯净的硅 晶体，电阻率还是蛮高 的。 P型半导体：由空穴导 电的半导体（在四价硅 中掺入三价的元素硼， 就会出现大量带“正电” 的载流子 空穴， positive是英文”正”的 意思，故称为P型半导体。
N型半导体：由电子导 电的半导体（在四价硅 中掺入五价元素磷，砷， 锑，就会出现大量带 “负电”的 自由电子， negetive 是“负”的意思， 故称为N型半导体。 载流子：传导电流的微 小粒子。 / 共价键：原 子间靠共用电子对来组 成分子的结构。
集成元件总展示
强调一点:P型或N型 半导体并不是绝 Nhomakorabea的, 如P型硅,又掺入更多 的磷,让电子比空穴 多了,就变成了N型硅, 反之亦然.
(完整word版)半导体基础知识
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构:最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。
绝缘体导电性:极差。
如惰性气体和橡胶.半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧.半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间.半导体的特点：★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化.晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。
共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子.空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动,形成电子电流。
空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流.自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发.复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体基础知识详细
半导体基础知识详细半导体是一种电子特性介于导体和绝缘体之间的材料。
它的电阻率介于导体和绝缘体之间，而且在外界条件下可以通过控制电场、光照、温度等因素来改变其电子特性。
半导体材料广泛应用于电子器件、太阳能电池、光电器件、传感器等领域。
1. 半导体的基本概念半导体是指在温度为绝对零度时，其电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。
在室温下，半导体的电阻率通常在10^-3到10^8Ω·cm之间。
半导体的导电性质可以通过控制材料中的杂质浓度来改变，这种过程称为掺杂。
2. 半导体的晶体结构半导体的晶体结构分为两种：共价键晶体和离子键晶体。
共价键晶体是由原子间共享电子形成的晶体，如硅、锗等。
共价键晶体的晶格结构稳定，电子在晶格中移动时需要克服较大的势垒，因此其导电性较差。
离子键晶体是由正负离子间的静电作用形成的晶体，如氯化钠、氧化镁等。
离子键晶体的晶格结构较稳定，电子在晶格中移动时需要克服较小的势垒，因此其导电性较好。
3. 半导体的能带结构半导体的能带结构是指半导体中电子能量的分布情况。
半导体的能带结构分为价带和导带两部分。
价带是指半导体中最高的能量带，其中填满了价电子。
导带是指半导体中次高的能量带，其中没有或只有很少的电子。
当半导体中的电子受到外界激发时，可以从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
4. 半导体的掺杂半导体的掺杂是指向半导体中加入少量的杂质原子，以改变其电子特性。
掺杂分为n型和p 型两种。
n型半导体是指向半导体中掺入少量的五价杂质原子，如磷、砷等。
这些杂质原子会向半导体中释放一个电子，形成自由电子，从而提高半导体的导电性能。
p型半导体是指向半导体中掺入少量的三价杂质原子，如硼、铝等。
这些杂质原子会从半导体中吸收一个电子，形成空穴，从而提高半导体的导电性能。
5. 半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的电子器件，包括二极管、晶体管、场效应管、集成电路等。
二极管是一种由n型半导体和p型半导体组成的器件，具有单向导电性。
半导体的基本知识
3.1 半导体的基本知识3.1.1 半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体 3.1.4 杂质半导体3.1.1 半导体材料物体导电能力不同：导体、绝缘体和半导体 半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间。
半导体材料：硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs等。
特点：导电性能随温度T、光照、掺杂显著改 变。
即具有热敏性、光敏性、掺杂性。
3.1.2 半导体的共价键结构以Si为例：原子序数14价电子价电子共价键硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构本征半导体 （纯净，只含一种元素）本征激发： 价电子 受热或光作用 自由电子（带负电） 空穴（带正电）。
♦ 成对出现 ♦ 载流子 ♦ 数目少，导电性差 ♦ 温度，数目，导电性强空穴的移动——与电子运动方向反。
动画—本征激发 动画—空穴运动3.1.4 杂质半导体 在本征半导体中掺入杂质，半导体的导电性发生显著变化。
P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。
N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的 半导体。
1. P型半导体（Positive）(1) 掺入少量三价元素(2)多数载流子（多子）：空穴； 少数载流子（少子） ：自由电子； 多子浓度由 掺杂浓度 决定 少子浓度由 热激发 决定（温度）（3）导电性好 。
呈电中性掺杂的：1空穴——B-热激发的：自由电子空穴成对出现2. N型半导体(Negative)(1)掺入少量五价元素(2)载流子 多子：自由电子； 少子：空穴（3）导电性好 。
呈电中性掺杂的：1自由电子—— P+ 热激发的少量自由电子空穴成对出现3. 杂质对半导体导电性的影响1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm32 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm33 掺杂后 N 型半导体中的空穴浓度: p=4.2×103/cm31. 在杂质半导体中多子的数量与 a 有关，少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）2. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。
半导体的基本知识
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素磷，由于磷原子有5个价电 子，它与周围的硅原子组成共价键时，多余的一个价电子很容易摆脱原子核 的束缚成为自由电子。这种半导体导电主要靠电子，所以称为电子型半导体 或N型半导体，如下图所示。N型半导体中，自由电子是多子，空穴是少子。
第8页
半本
导征
电 工 电 子 技 术
过渡页
第2页
半导体的基本知识
• 1.1 半导体的基本特性 • 1.2 本征半导体和杂质半导体
半
导
体
的 基 本 知
半 导 体 的 基
识本
物质大体可分为导体、绝缘体和半导体 三大类。其中，容易导电、电阻率小于10-4Ω·cm的物质称为导体，如铜、铝、 银等金属材料；很难导电、电阻率大于104Ω·cm的物质称为绝缘体，如塑料、 橡胶、陶瓷等材料；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如 硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等。
半导体之所以被作为制造电子器件的主要材料在于它具有热敏性、 光敏性和掺杂性。 ➢ 热敏性：是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加的特性。利 用这种特性可制成各种热敏元件，如热敏电阻等。 ➢ 光敏性：是指半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性。利用 这种特性可制成光电二极管、光电三极管和光敏电阻等。 ➢ 掺杂性：是指半导体的导电能力因掺入微量杂质而发生很大变化的特性。 利用这种特性可制成二极管、三极管和场效应管等。
导 体 和 杂 质
识半
导
体
1.2
本征半导体在绝对温度T＝0K和 没有外界影响的条件下，价电子全部 束缚在共价键中。当温度升高或受光 照时，半导体共价键中的价电子会从 外界获得一定能量，少数价电子将挣 脱共价键的束缚，成为自由电子，同 时在原来共价键的相应位置上留下一 个空位，这个空位称为空穴，如右图 所示。
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第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN 结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。
半导体器件是构成电子电路的基础。
半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。
顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。
1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
通常将很容易导电、电阻率小于410-Ω•cm 的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω•cm 的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在410-Ω•cm ～1010Ω•cm 范围内的物质，称为半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。
1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。
半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。
例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1／2。
而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10℃时，它的电阻率几乎不变。
2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。
一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。
自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。
而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。
3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。
在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之—。
所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不向用途的半导体器件。
而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。
半导体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。
1.1.2本征半导体原子由原子核和电子构成，原子核由带正电的质子和不带电的中子构成，电子带负电并围绕原子核旋转。
电子以不同的距离在核外分层排布，距核越远，电子的能量越高，最外层的电子被称为价电子，物质的化学性质就是由价电子的数目决定的。
由于现在所用的半导体材料仍然主要是硅和锗，所以在这里只讨论硅和锗的原子结构，图1-1所示是硅和锗的原子结构简化模型。
硅和锗的外层电子都是4个，它们是四价元素。
随着原子间的相互靠近，价电子相互作用并形成晶体。
晶体的最终结构是四面体，每个原子(硅或锗)周围都有4个临近的(硅或锗)原子，分布在两个原子间的价电子构成共价键，图1-2所示是硅和锗四面体结构。
图1-1 硅和锗的原子结构简化模型图1-2 所示是硅和锗四面体结构硅和锗四面体结构一般用二维平面图来表示，图1-3所示是硅和锗晶体结构平面图。
在晶体结构中，通过电子运动，每一半导体原子最外层的4个价电子与相邻的4个半导体原子的各一个价电子组成4对共价键，并按规律排列，图中的原子间每条线代表一个价电子。
本征半导体就是以上所说的一种纯净的半导体晶体。
在热力学温度T＝0 K(-273℃)无外部激发能量时，每个价电子都处于最低能态，价电子没有能力脱离共价键的束缚．没有能够自由移动的带电粒子，这时的本征半导体被认为是绝缘体。
当价电子在外部能量(如温度升高、光照)作用下，一部分价电子脱离共价键的束缚成为自由电子，这一过程叫本征激发。
自由电子是带负电荷量的粒子，它是本征半导体中的一种载流子。
在外电场作用下，自由电子将逆着电场方向运动形成电流。
载流子的这种运动叫漂移，所形成的电流叫漂移电流。
价电子脱离共价键的束缚成为自由电子后，在原来的共价健中便留下一个空位，这个空位叫空穴。
空穴很容易被邻近共价键中跳过来的价电子填补上，于是在邻近共价键中又出现新的空穴，这个空穴再被别处共价键中的价电子来填补；这样，在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。
在外部能量的作用下，填补空穴的价电子作定向移动也形成漂移电流。
但这种价电子的填补运动是由于空穴的产生引起的，而且始终是在原子的共价键之间进行的，它不同于自由电子在晶体中的自由运动。
同时，价电子填补空穴的运动无论在形式上还是在效果上都相当于空穴在与价电子运动相反的方向上运动。
为了区分电子的这两种不同的运动，把后一种运动叫做空穴运动，空穴被看作带正电荷的带电粒子，称它为空穴载流子。
图1-4所示是半导体中的两种载流子。
图1-3 硅和锗晶体结构平面图图1-4 半导体中的两种载流子综上所述，本征半导体中存在两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。
它们是成对出现的，也叫电子空穴对。
由于两者电荷量相等，极性相反，所以本征半导体是电中性的。
本征半导体在外界的作用下，电子形成电子电流，空穴形成空穴电流,虽然两种载流子的运动方向相反，但因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的，它们的和就是半导体中的电流。
另外需要指出的是，价电子在热运动中获得能量产生了电子空穴对，这种物理现象称为激发；同时自由电子在运动中与空穴相遇，使电子、空穴对消失，这种现象称为复合。
在一定温度下，载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓度是一定的。
本征半导体中载流子的浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关。
而且随着温度的升高，基本上呈指数规律增加。
因此，半导体载流子浓度对温度十分敏感。
1.1.3杂质半导体本征半导体的电阻率比较大，载流子浓度又小，且对温度变化敏感，因此它的用途很有限。
在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的变化。
利用这一特性，可以制成各种性能不同的半导体器件，这样使得它的用途大大增加。
掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体。
根据掺入杂质性质的不同，可分为两种：电子型半导体和空穴型半导体。
载流子以电子为主的半导体叫电子型半导体，因为电子带负电，取英文单词“负”(Negative)的第一个字母“N”，所以电子型半导体又称为N型半导体。
载流子以空穴为主的半导体叫空穴型半导体。
取英文单词“正”(Positive) 的第一个字母“P”,空穴型半导体又称为P型半导体。
下面以硅材料为例进行讨论。
1、N型半导体在本征半导体中掺入正五价元素(如磷、砷)使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。
掺入的元素原子有5个价电子，其中4个与硅原子结合成共价键，余下的一个不在共价键之内，掺入的五价元素原子对它的束缚力很小。
因此只需较小的能量便可激发而成为自由电子。
由于掺入的五价元素原子很容易贡献出一个自由电子，故称为“施主杂质”。
掺入的五价元素原子提供一个电子(成为自由电子)后，它本身因失去电子而成为正离子。
在上述情况下，半导体中除了大量的由掺入的五价元素原子提供的自由电子外，还存在由本征激发产生的电子空穴对，它们是少数载流子。
这种杂质半导体以自由电子导电为主，因而称为电子型半导体，或N型半导体。
在N型半导体中，由于自由电子是多数，故N型半导体中的自由电子称为多数载流子(简称多子)，而空穴称为少数载流子(简称少子)。
2、P型半导体当本征半导体中掺入正三价杂质元素（如硼、镓）时，三价元素原子为形成四对共价键使结构稳定，常吸引附近半导体原子的价电子，从而产生一个空穴和一个负离子，故这种杂质半导体的多数载流子是空穴，因为空穴带正电，所以称为P型半导体，也称为空穴半导体。
除了多数载流子空穴外，还存在由本征激发产生的电子空穴对，可形成少数载流子自由电子。
由于所掺入的杂质元素原子易于接受相邻的半导体原子的价电子成为负离子，故称为“受主杂质”。
在P型半导体中，由于空穴是多数，故P型半导体中的空穴称为多数载流子(简称多子)，而自由电子称为少数载流子(简称少子)P型半导体和N型半导体均属非本征半导体。
其中多数载流子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度；少数载流子的浓度主要取决于温度；而所产生的离子，不能在外电场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。
1.1.4 PN结如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。
1、PN结的形成在P型和N型半导体的交界面两侧，由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊，所以N区中的多数载流子自由电子要向P区扩散，同时P区中的多数载流空穴也要向N区扩散，并且当电子和空穴相遇时，将发生复合而消失。
如图1-5所示。
于是，在交界面两侧将分别形成不能移动的正、负离子区，正、负离子处于晶格位置而不能移动，所以称为空间电荷区(亦称为内电场)。
由于空间电荷区内的载流子数量极少，近似分析时可忽略不计，所以E，其方也称其为耗尽层。
空间电荷区一侧带正电，另一侧带负电，所以形成了内电场inE的作用下，P区和N区中的少子会向对方漂移，同时内电向由N区指向P区。
在内电场in场将阻止多子向对方扩散，当扩散运动的多子数量与漂移运动的少子数量相等，两种运动达到动态平衡的时候，空间电荷区的宽度一定，PN结就形成了。
一般，空间电荷区的宽度很薄，约为几微米～几十微米；由于空间电荷区内几乎没有载流子，其电阻率很高。
图1-5 PN结的形成2、PN 结的单向导电性在PN 结的两端引出电极，P 区的一端称为阳极，N 区的一端称为阴极。
在PN 结的两端外加不同极性的电压时，PN 结表现出截然不同的导电性能，称为PN 结的单向导电性。
(1)在外加正向电压时PN 结处于导通状态当外加电压使PN 结的阳极电位高于阴极时，称PN 结外加正向电压或PN 结正向偏置(简称正偏)，如图1-6所示。
图中实心点代表电子，空心圈代表空穴。
此时，外加电场out E 与内电场in E 的方向相反，其作用是增强扩散运动而削弱漂移运动。
所以，外电场驱使P 区的多子进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，也使N 区的多子电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，其结果是使空间电荷区变窄，PN 结呈现低电阻(一船为几百欧姆)；同时由于扩散运动占主导，形成较大的正向电流(mA 级)，此时PN 结导通，相当于开关的闭合状态。
由于PN 结导通时，其电位差只有零点几伏，且呈现低电阻，所以应该在其所在回路中串联一个限流电阻．以防止PN 结因过流而损坏。
图1-6 PN 结加正向偏置导通时的情况(2)在外加反向电压时PN 结处于截止状态当外加电压使PN 结的阳极电位低于阴极时，称PN 结外加反向电压或PN 结反向偏置(简称反偏)如图1-7所示。