1.半导体生产与洁净度解析

一步削弱原来PN结的电场，所以电流更要增加。
P
+ +
N
-
空穴移动方向
+
+ + +
—
-
电子移动方向
+
PN结电场方向 外加反向电压产生的电场方向 反向电流很小 （b）外加反向电压时阻挡层变厚
外加电场方向对PN结的影响
因此，PN结中原来的电场被加强了，阻挡层厚度增
加了。N区中的多数载流子——电子和P区中的多数
半导体生产与洁净度
微电子的发展史
一、集成电路的发展
1、1904年和1906年真空二极管和真空三极管的问
世；
2、1950年世界上第一个结型晶体管诞生； 3、1958年世界上第一块集成电路研制成功； 4、日本公司将集成电路从军事用途带入民用领域。
二、太阳能电池的发展
1、1951年在贝尔实验室诞生； 2、60年代用于航天领域，转换效率为10%；
电子
空穴
N型半导体示意图
掺入杂质铟（或铝、硼之类）：这块半导体中会产生许多新 的电子和空穴。空穴的数目以压倒多数超过电子，导电作用 主要由空穴来决定，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。 这种类型半导体叫空穴型半导体，简称P型半导体。
电子
空穴
P型半导体示意图
工作原理
• N型半导体的多数载流子——电子在电场作用下向外加电压
P
-
N
薄层B
(b)空穴由P区扩散到N区
载流子在半导体中的扩散
由于空穴和电子的扩散，使薄层A带正电，而薄层B带负电， 因此在薄层A、B间产生一个电场，如下图。这个电场的方 向是由N区指向P区。这个电场会阻止电子继续往P区扩散也 阻止空穴继续往N区扩散，但是刚开始电子和空穴的扩散占 优势。 随着电子和空穴的不断扩散，N区和P区失去的电子 和空穴越来越多，薄层A和B越来越厚，形成的电场的作用 越来越强。最后，电场的作完全抵消了扩散，达到了动态 平衡状态。
• 导体中含少量的杂质对导体的导电能力影响极小， 但是杂质对半导体的性能却影响很大。
掺入杂质锑（或磷、砷之类）：新产生的电子数量远远超过 原来未掺入杂质前的电子或空穴的数量。电子的数目以压倒 多数超过空穴，导电作用主要由电子来决定，电子称为“多 数载流子，空穴称“少数载流子”。 这种类型半导体叫电 子型半导体，简称N型半导体。
3、70年代技术迅速发展，使用于民用领域；转换
效率为20%；
4、90年代在规模生产，效率不断提高；销售量以
每年25%的速度递增。
半导体基本知识
一、基本知识
定义 导体： 能导电的物体；（如：银、铜、铝等）
绝缘体：不容易导电的物体；（如：橡皮、塑
料、玻璃等）
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物
体。（如：锗、硅、硒等）
薄层A和薄层B称为“PN结”，又称“阻挡层”，厚度大约 为10-4～10-5cm。
B
-
A
+
+
+ + +
P
-
N
-
+
+
PN结电场方向
电子和空穴扩散在PN交界处产生的电场
实验：在PN结两端接上电池，电池正极接P型半导体，负极接N 型半导体，如图（a），电流表有读数。电池正极接N型半导体， 负极接P型半导体，如图（b），电流表的读数接近零。
二、半导体特性
• 有两种载流子——电子和空穴。纯净的（不含杂质）的 半导体（称本征半导体）中有一个电子就必然有一个空穴。 即电子和空穴的数量相等。
电子 空穴
本征半导体示意图
• 与导体和绝缘体不同，半导体的导电性能受温 度的影响很大。
当温度升级1℃时，它的电导率就要增加百分之几 到百分之十几，这是由于半导体中的本征载流子随温度 升高而增加的缘故。而导体和绝缘体的电导率随温度的 变化却很小。
因此，PN结中原来的电场被削弱了，阻挡层厚度 减少了。P区的空穴N区的电子在这个外加电场作 用下不不断走向交界处。空穴由左方向流向右方和
电子由右方流向左方都相当于电流由左方流向右方。
由于P区空穴很多，N区电子很多，这股电流很大，
这就是正向连接时出现大电流的原因。外加正向电
压越大，在PN结中外加电场的作用就越强，更进
的“正端”移动，而少数载流子——空穴在电场作用下向外加
电压的“负端”移动，在半导体内构成电流。电流方向与带负 电的电子运动方向相反。
电流方向
空穴移动方向Hale Waihona Puke 电子移动方向N型半导体
• P型半导体的多数载流子——空穴在电场作用下向外加电压
的“负端”移动，而少数载流子——电子在电场作用下向外加
电压的“正端”移动，在半导体内构成电流。电流方向与带正 电的空穴运动方向相同。
空穴移动方向
-
电子移动方向
—
+
-
-
PN结电场方向 外加正向电压产生的电场方向
正向电流很大
（a）外加正向电压时阻挡层变薄
外加电场方向对PN结的影响
分析之二——外加反向电压：
当PN结反向连接时，即P区接电池负极，N区接电池 正极，这时外加电压在PN结中产生的电场方向是由 N区指向P区的，恰好与PN结原来形成的电场方向一 致。
结论：PN结具有只让电流从一个方向通过的单向导通性。
电流方向
P
N
i
P
N
（a）
（b ）
PN结加压的实验
分析之一——外加正向电压： 当PN结正向连接时，即P区接电池正极，N区接电池 负极，这时外加电压在PN结中产生的电场方向是由P 区指向N区的，恰好与PN结原来形成的电场方向相 反。
P
-
N
+
+ + + + +
载流子——空穴很难能过PN结向对方移动，这就是
反向连接时电流极小的原因。但是，这时P区中的少
数载流子——电子和N区中的少数载流子——空穴在
反向电场帮助向交界移动，电子由左方流向右方和空 穴由右方流向左方形成反向电流，但由于少数载流子 数量很少，反向电流是很小的。
因此，我们可以把PN结看成是电流通道上的一道开 关，接上正向电压时（即P型半导体接电池正极，N 型半导体接电池负极），开关打开让电流通过，我 们称此时PN结“导漏”接上反向电压时开关关上， 阻止电流通过，我们称此时PN结“截止”。PN结这 种只让电流单方向通过的性能称PN结的单向导电性。
电流方向
电子移动方向
空穴移动方向
P型半导体
二、P-N结的单向导电性
由于两边空穴和电子数量分布的不均匀：
• N型区域中邻近P型区域一边的薄层A中就有一部分电子扩 散到P区。薄层A失去了一些电子，带正电。如图（a)
P
+ + + + + +
N
薄层A
(a)电子由N区扩散到P区
载流子在半导体中的扩散
• P型区域中邻近N型区域一边的薄层B中就有一部分空穴 扩散到N区。薄层B失去了一些空穴，带负电。如图（b）