半导体的基础知识PPT课件
合集下载
半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
半导体基础知识PPT培训课件
半导体基础知识ppt培 训课件
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
《半导体基础》课件
在温度升高或电场加强时，电 子和空穴的输运能力增强。
掺杂可以改变半导体的导电性 能，增加载流子的数量。
半导体中的热传导
01 热传导是热量在半导体中传递的过程。
02 热传导主要通过晶格振动和自由载流子传 递。
03
半导体的热传导系数受到温度、掺杂浓度 和材料类型的影响。
04
在高温或高掺杂浓度下，热传导系数会增 加。
模拟电路和数字电路中均有广泛应用。
场效应晶体管
总结词
场效应晶体管是一种电压控制型器件，利用电场效应来控制导电沟道的通断。
详细描述
场效应晶体管可分为N沟道和P沟道两种类型，通过调整栅极电压来控制源极和漏极之 间的电流。场效应晶体管具有低噪声、高输入阻抗和低功耗等优点，广泛应用于放大器
和逻辑电路中。
集成电路基础
掺杂半导体
N型半导体
通过掺入施主杂质，增加自由电子数量，提高导电能力。
P型半导体
通过掺入受主杂质，增加自由空穴数量，提高导电能力。
宽禁带半导体
碳化硅（SiC）
具有宽禁带、高临界击穿场强等特点， 适用于制造高温、高频、大功率的电子 器件。
VS
氮化镓（GaN）
具有宽禁带、高电子迁移率等特点，适用 于制造蓝光、紫外线的光电器件。
详细描述
二极管由一个PN结和两个电极组成，其单 向导电性是由于PN结的正向导通和反向截 止特性。根据结构不同，二极管可分为点接 触型、肖特基型和隧道二极管等。
双极晶体管
总结词
双极晶体管是一种电流控制型器件，具有放 大信号的功能。
详细描述
双极晶体管由三个电极和两个PN结组成， 通过调整基极电流来控制集电极和发射极之 间的电流，实现信号的放大。双极晶体管在
20-半导体基础知识PPT模板
电工电子技术
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.1 半导体的基本特性
根据导电性能的不同，自然界的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。
（2）反向偏置
给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源 负极，称PN结反向偏置，如下图所示。
由于外加电场与内电场的 方向一致，因而加强了内电场， 促进了少子的漂移运动，阻碍 了多子的扩散运动，使空间电 荷区变宽。此时，主要由少子 的漂移运动形成的漂移电流将 超过扩散电流，方向由N区指向 P区，称为反向电流。由于常温 下少子的数量很少，所以反向 电流很小。此时，PN结处于截 止状态。
（2）P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼，由 于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时， 因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易 填补这个空穴，形成新的空穴。这种半导体导电主要靠空 穴，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如下图所示。P 型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。
2．PN结的单向导电性
（1）正向偏置
给PN结外加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电 源负极，称PN结为正向偏置，如下图所示。
《半导体物理基础》课件
当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
半导体的基本知识.ppt
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如硅、锗、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
2.1 半导体的基本知识
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具 有不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
在 P 型半导体中，空 穴是多数载流子；自由电 子是少数载流子。
空穴
+4
+4
+3
+4
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。
3.杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素 ，
如磷、砷等，就会构成 N 型半导体。
P型半导体：在硅或锗的晶体中掺入少量的三
价杂质元素，如硼、镓、铟等，就会构成 P 型半导体。
1. N型半导体
因五价杂质原子中只有四个价电子 能与周围四个半导体原子中的价电子形 成共价键，而多余的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形成自由电子。
载流子浓度分布的不均匀引起的定向 运动称为扩散运动。相应产生的电流称为 扩散电流。
小结
1. 半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。
2. 掺入不同杂质，形成N型和P型两种杂质半导体。 N型半导体：多子是自由电子，少子是空穴； P型半导体：多子是空穴，少子是自由电子。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如硅、锗、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
2.1 半导体的基本知识
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具 有不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
在 P 型半导体中，空 穴是多数载流子；自由电 子是少数载流子。
空穴
+4
+4
+3
+4
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。
3.杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素 ，
如磷、砷等，就会构成 N 型半导体。
P型半导体：在硅或锗的晶体中掺入少量的三
价杂质元素，如硼、镓、铟等，就会构成 P 型半导体。
1. N型半导体
因五价杂质原子中只有四个价电子 能与周围四个半导体原子中的价电子形 成共价键，而多余的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形成自由电子。
载流子浓度分布的不均匀引起的定向 运动称为扩散运动。相应产生的电流称为 扩散电流。
小结
1. 半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。
2. 掺入不同杂质，形成N型和P型两种杂质半导体。 N型半导体：多子是自由电子，少子是空穴； P型半导体：多子是空穴，少子是自由电子。
半导体基础知识PPT
03
半导体器件
二极管
工作原理
二极管是由一个PN结组成的电子器件， 具有单向导电性。在正向偏置时，电流可 以流通；而在反向偏置时，电流被阻止。
应用
类型
常见的二极管类型有硅二极管和锗二 极管，它们在电气性能上略有差异。
二极管在电子线路中广泛应用，如整 流、检波、开关等。
三极管
1 2
工作原理
三极管是由两个PN结组成的电子器件，具有电 流放大作用。通过调整基极电流，可以控制集电 极和发射极之间的电流。
感谢观看
半导体的导电机制主要是由其 内部的电子和空穴的运动决定 的。
半导体的特性
半导体材料的导电能力受温度、光照、电场等因素影响，具有热敏、光敏、掺杂等 特点。
半导体的电阻率可在很大范围内变化，通过改变温度、光照、电场等条件，可以控 制其电阻率的变化。
半导体的载流子类型和浓度决定了其导电性能，可以通过掺杂等方式改变载流子类 型和浓度。
物理沉积
通过物理过程如真空蒸发、溅 射等，将所需材料沉积在晶圆
表面形成薄膜。
化学气相沉积
利用化学反应在晶圆表面生成 所需材料的薄膜。
外延生长
在单晶基底上通过控制温度、 气体流量等参数，使薄膜按照 单晶的晶体结构生长。
离子注入
将离子化的材料注入到晶圆内 部的特定区域，形成具有一定
特性的薄膜。
掺杂与刻蚀
功耗具有重要意义。
集成电路设计
01
02
03
人工智能辅助设计
利用人工智能技术进行集 成电路自动化设计，提高 设计效率和准确性。
异构集成技术
将不同工艺类型的芯片集 成在一个封装内，实现高 性能、低功耗的系统级芯 片。
定制化设计
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
模 拟电子技术
一、本征半导体
1、本征半导体的共价键结构 2、电子空穴对 3、空穴的移动
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
模 拟电子技术
1、本征半导体的共价键结构
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电 子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形 成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为 它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体（单晶体）。
模 拟电子技术
(1) PN结加正向电压时的导电情况
PN结加正向电压时的导电情况如图1.7所示。
外加的正向电压有
一部分降落在PN结区，
方向与PN结内电场方向
相反，削弱了内电场。
于是,内电场对多子扩散
运动的阻碍减弱，扩散
电流加大。扩散电流远
大于漂移电流，可忽略 漂移电流的影响，PN结 呈现低阻性。
图1.7 PN结加正向电压 时的导电情况
半导体的基础知识
根据物体导电能力(电阻率)的不同，物体分为导 体、绝缘体和半导体。
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。 半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导体 有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体的特性: 光敏特性（用于制作光敏电阻、二极管、三极管等） 热敏特性（用于制作电阻） 掺杂特性（用于制作半导体器件）。
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
模 拟电子技术
三、PN结
1.PN结的形成 2.PN结的单向导电性 3.PN结的电容效应 4.PN结的击穿特性
模 拟电子技术
1.PN结的形成
在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,
分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半
导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下一个空穴。
★P型半导体中空穴是多数图载1.流5 子P型，半主导要体的由结掺构杂示形意成图； 电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子因得到一个电子成 为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。P型半导体的 结构示意图如图1. 5所示。
这种结构的立体和平面示意图见图1.1。
(c)
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图
图1.1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图
模 拟电子技术
2、电子空穴对
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有 自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价 电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的 束缚，而参与导电，成为自由电子。
PN 结形成 的过程可参阅图1.6。
图1. 6 PN结的形成过程
（动画1-3）
模 拟电子技术
2.PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之 是高阻性，电流小。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
图1.5 P型半导体的结构示意图
模 拟电子技术
3.杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下: 1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.4×1110/cm3 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n=5×1116/cm3 3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
1.N型半导体
2.P型半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂 质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入 的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本 征半导体称为杂质半导体。
模 拟电子技术
1.N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷、砷、锑等 ，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体 原子中的价电子形成共价键，而图多1.余4 N的型一半个导价体结电构子示因意无图共价 键束缚而很容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈 现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
模 拟电子技术
图1.2 本征激发和复合的过程（动画1-1）
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电 子也可能回到空穴中去，称为复合，如图1.2所示 。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
模 拟电子技术
3、 空穴的移动
自由电子的定向 运动形成了电子电流 ，空穴的定向运动也 可形成空穴电流，它 们的方向相反。只不 过空穴的运动是靠相 邻共价键中的价电子 依次充填空穴来实现 的 。 见 图 1.3 的 动 画 演示。
图1.3 空穴在晶格中的移动
（动画1-2）
模 拟电子技术
二、杂质半导体
★N型半导体中自由电子是多数载流子, 主要由杂质原子提供；
空穴是少数载流子, 由热激发产生。
提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子带正电 荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N 型半导体的结构示意图如图1. 4所示。
模 拟电子技术
2.P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 了P型半导体，也称为空穴型半导体。
因浓度差
在交界处电子和空穴相符合形
多子的扩散运动 成由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
模 拟电子技术
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在 P型半导体和N型 半导体结合面， 由离子薄层形成 的空间电荷区称 为PN结。在空间 电荷区，由于缺 少多子，所以也 称为耗尽层。
模 拟电子技术
第1讲
1.1 半导体的基础知识
教学目标
知识目标： 1.了解半导体的分类； 2.掌握P、N型半导体的性质； 3.重点掌握PN结的性质。
能力目标：会检测PN结的性质。
教学重点 教学难点
PN结的性质 PN结的形成原理
模 拟电子技术
半导体的基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结
模 拟电子技术