半导体基础知识PPT
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＋4 ＋4 ＋4
共价键的两 个价电子
＋4
＋4
＋4
自由电子 c b
＋4a＋4源自＋4空穴图2-3 共价键结构示意图
西南科技大学
空穴
根据图2-4，当价电子变为自由电子时，必然留下一 个空位，使其它价电子也有可能参加导电。我们称空位为 空穴，空穴也是一种载流子，但带正电荷。
2.1.2 本征半导体、空穴及其导电作用
本征半导体 本征半导体是指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它 有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。
西南科技大学
如图2-2所示为半导体硅（Si）和锗（Ge）的原子结 构，最外层4个价电子。
2 +14 q
西南科技大学
3. P 型半导体 掺入三价元素时，因为三价元素最外层只有三个价电子，
要结合成四对共价键时，少一个价电子，必然出现一个空 位，使半导体具备空穴导电的条件。
“多余”价电子
+4
五价元素后，四价的半导体
原子被杂质原子代替。
杂质离子
+4
图2-6 施主杂质
西南科技大学
五价元素最外 层有5个价电子，其中4个用来与周围原子 结合成共价键，多余的一个，因不在共价键中，所受束缚很小， 常温下，即可脱离原子束搏成为自由电子。
8
4
8 18 2 +32 q
4
价电子 价电子
图2-2 四价元素硅和锗的原子结构
西南科技大学
如图2-3所示，半导体单晶体内原子与原子之间的结合 力，称为共价键。价电子最有可能成为载流子，但它束缚 于共价键之中，只有热运动使价电子获得能量，足以冲破 共价键的束缚时它才可能成为自由电子，参加运载电荷。 我们把这一过程称为本征激发。自由电子是带负电的载流 子。
2.1 半导体的基本知识
2.1.1 半导体材料
物质按导电能力分：导体，半导体，绝缘体。 导电能力的衡量：电阻率ρ
B
按定义
RAB
l S
A S
l
式中，l 是材料的长度，S 是截面积。
图2-1 导电材料
导体：
104 cm
4 9 10 ~ 10 cm 半导体：
绝缘体： 109 cm
类似绝缘体 冷却 遮光 提纯 半导体 加热 光照 掺杂 类似导体 （热敏特性） （光敏特性） （掺杂特性）
西南科技大学
半导体二极管，三极管，就是利用掺杂特性来制造的。
物质要导电，其内部必须有运载电荷的粒子，这种粒子
称为载流子。 导电能力最终决定于：
1. 载流子的多少； 2. 载流子的性质； 3. 载流子的运动速度。
E
t1 t2 t3 t4 t5
Ip
图2-5 空穴导电过程 由图2-5可见，空穴的导电过程，实际上是价电子在电场作 用下，不断递补空位的过程。
西南科技大学
自由电子与空穴在运动过程中相遇，自由电子填补空 位导致“电子——空穴对”消失，这一过程称为复合。可 见，复合是激发的反过程。 在同样温度下，本征锗的导电率大于本征锗硅。 同时，温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，导电 性能也就愈好。 所以温度对半导体器件性能的影响很大。最终造成晶 体管热稳定性的恶化。
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常用的半导体材料ρ：
锗（ze）：
硅（Si）：
砷化镓（GaAs）：
47 cm 2.14 105 cm 1 ~ 2 107 cm
（也可用电导率 来衡量材料的导电性，它与电阻率ρ 的 1 关系是： ） 半导体的特点：导电能力随外界条件的改变有较大变化。
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掺入五价元素，能获得大量电子；
掺入三价元素，能获得大量空穴。 所以 五价元素称为施主杂质（意即“给出电子”） 三价元素称为受主杂质（意即“接受价电子” ） 本征半导体+五价元素=N型半导体 N（negative） 本征半导体+三价元素=P型半导体 P (positive) 2. N型半导体 +4 为什么在本征半导体中掺入五价元素， 会产生大量自由电子？ +5 +4 参阅图2-6，本征半导体掺入
+4
+4
+4
+4
自由电子
+4
图2-4 本征激发 总之，本征激发将产生两种类型的载流子，即自由电子与空 穴。常称为“电子——空穴对”。本征半导体中自由电子和 空穴是成对出现，数目相等。一个萝卜一个坑！
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图2-5表示在外电场作用下，空穴的导电过程。图中 小圆圈表示空穴，实心小黑圆点表示价电子。E是外电场 方向，Ip就是空穴电流方向。
可见，每掺入一个五价的杂质原子，就会释放一个自由电子。
故称五价杂质为“施主型杂质”。
需要指出：
①施主杂质仅施放电子，不产生空穴。因为4个共价键中所有8 个位子被价电子填满没有空位。
②施主原子失去一个价电子后，自己成为带正电荷的离子，这
称为 “杂质电离”。杂质离子束缚于共价键之中不能自由移动， 故不参加导电。
注意： 与原子密度相比，本征载 流子浓度仍然极小，所
以本征半导体的导电能力是很差的。
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2.1.3 杂质半导体
在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称 为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质， 半导体导电能力将提高106倍！尽管杂质含量很微，但它们 对半导体的导电能力却有很大的影响。因而对半导体掺杂是 提高半导体导电能力的最有效的方法。 在纯净半导体单晶中用人工的方法掺入少量特种元素， 就获得杂质半导体，晶体管就是由杂质半导体制成的。 1.两种类型的杂质 目前掺入半导体材料中的常用杂质分两类： 五价元素 磷（P） 锑（Sb） 砷（As） 三价元素 硼（B） 铝（Al） 铟（In） 镓（Ga） 我们发现，除了本征激发能产生载流子，掺杂质也能产 生载流子，但并不成对出现。
共价键的两 个价电子
＋4
＋4
＋4
自由电子 c b
＋4a＋4源自＋4空穴图2-3 共价键结构示意图
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空穴
根据图2-4，当价电子变为自由电子时，必然留下一 个空位，使其它价电子也有可能参加导电。我们称空位为 空穴，空穴也是一种载流子，但带正电荷。
2.1.2 本征半导体、空穴及其导电作用
本征半导体 本征半导体是指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它 有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。
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如图2-2所示为半导体硅（Si）和锗（Ge）的原子结 构，最外层4个价电子。
2 +14 q
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3. P 型半导体 掺入三价元素时，因为三价元素最外层只有三个价电子，
要结合成四对共价键时，少一个价电子，必然出现一个空 位，使半导体具备空穴导电的条件。
“多余”价电子
+4
五价元素后，四价的半导体
原子被杂质原子代替。
杂质离子
+4
图2-6 施主杂质
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五价元素最外 层有5个价电子，其中4个用来与周围原子 结合成共价键，多余的一个，因不在共价键中，所受束缚很小， 常温下，即可脱离原子束搏成为自由电子。
8
4
8 18 2 +32 q
4
价电子 价电子
图2-2 四价元素硅和锗的原子结构
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如图2-3所示，半导体单晶体内原子与原子之间的结合 力，称为共价键。价电子最有可能成为载流子，但它束缚 于共价键之中，只有热运动使价电子获得能量，足以冲破 共价键的束缚时它才可能成为自由电子，参加运载电荷。 我们把这一过程称为本征激发。自由电子是带负电的载流 子。
2.1 半导体的基本知识
2.1.1 半导体材料
物质按导电能力分：导体，半导体，绝缘体。 导电能力的衡量：电阻率ρ
B
按定义
RAB
l S
A S
l
式中，l 是材料的长度，S 是截面积。
图2-1 导电材料
导体：
104 cm
4 9 10 ~ 10 cm 半导体：
绝缘体： 109 cm
类似绝缘体 冷却 遮光 提纯 半导体 加热 光照 掺杂 类似导体 （热敏特性） （光敏特性） （掺杂特性）
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半导体二极管，三极管，就是利用掺杂特性来制造的。
物质要导电，其内部必须有运载电荷的粒子，这种粒子
称为载流子。 导电能力最终决定于：
1. 载流子的多少； 2. 载流子的性质； 3. 载流子的运动速度。
E
t1 t2 t3 t4 t5
Ip
图2-5 空穴导电过程 由图2-5可见，空穴的导电过程，实际上是价电子在电场作 用下，不断递补空位的过程。
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自由电子与空穴在运动过程中相遇，自由电子填补空 位导致“电子——空穴对”消失，这一过程称为复合。可 见，复合是激发的反过程。 在同样温度下，本征锗的导电率大于本征锗硅。 同时，温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，导电 性能也就愈好。 所以温度对半导体器件性能的影响很大。最终造成晶 体管热稳定性的恶化。
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常用的半导体材料ρ：
锗（ze）：
硅（Si）：
砷化镓（GaAs）：
47 cm 2.14 105 cm 1 ~ 2 107 cm
（也可用电导率 来衡量材料的导电性，它与电阻率ρ 的 1 关系是： ） 半导体的特点：导电能力随外界条件的改变有较大变化。
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掺入五价元素，能获得大量电子；
掺入三价元素，能获得大量空穴。 所以 五价元素称为施主杂质（意即“给出电子”） 三价元素称为受主杂质（意即“接受价电子” ） 本征半导体+五价元素=N型半导体 N（negative） 本征半导体+三价元素=P型半导体 P (positive) 2. N型半导体 +4 为什么在本征半导体中掺入五价元素， 会产生大量自由电子？ +5 +4 参阅图2-6，本征半导体掺入
+4
+4
+4
+4
自由电子
+4
图2-4 本征激发 总之，本征激发将产生两种类型的载流子，即自由电子与空 穴。常称为“电子——空穴对”。本征半导体中自由电子和 空穴是成对出现，数目相等。一个萝卜一个坑！
西南科技大学
图2-5表示在外电场作用下，空穴的导电过程。图中 小圆圈表示空穴，实心小黑圆点表示价电子。E是外电场 方向，Ip就是空穴电流方向。
可见，每掺入一个五价的杂质原子，就会释放一个自由电子。
故称五价杂质为“施主型杂质”。
需要指出：
①施主杂质仅施放电子，不产生空穴。因为4个共价键中所有8 个位子被价电子填满没有空位。
②施主原子失去一个价电子后，自己成为带正电荷的离子，这
称为 “杂质电离”。杂质离子束缚于共价键之中不能自由移动， 故不参加导电。
注意： 与原子密度相比，本征载 流子浓度仍然极小，所
以本征半导体的导电能力是很差的。
西南科技大学
2.1.3 杂质半导体
在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称 为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质， 半导体导电能力将提高106倍！尽管杂质含量很微，但它们 对半导体的导电能力却有很大的影响。因而对半导体掺杂是 提高半导体导电能力的最有效的方法。 在纯净半导体单晶中用人工的方法掺入少量特种元素， 就获得杂质半导体，晶体管就是由杂质半导体制成的。 1.两种类型的杂质 目前掺入半导体材料中的常用杂质分两类： 五价元素 磷（P） 锑（Sb） 砷（As） 三价元素 硼（B） 铝（Al） 铟（In） 镓（Ga） 我们发现，除了本征激发能产生载流子，掺杂质也能产 生载流子，但并不成对出现。