半导体笔记汇总

半导体笔记汇总

介于导体与绝缘体之间的材质就叫做半导体。半导体器件主要分三类：二极管、三极管、MOS管。

一、半导体理论基础

1、导体、半导体和绝缘体

我们根据物质的导电性能强弱将物质分为导体、半导体和绝缘体。电导率与电阻率互为倒数，下图中给出了一些常见物质的电阻率。

电阻率在$10^8$以上的是绝缘体，电阻率在$10^8$到$10^{-3}$之间的是半导体，电阻率在$10^{-3}$以下的是导体。

2、能带理论

导体中导带或者是被部分填充，或者是与价带重叠，在其中不存在禁带，会使得部分填充的导带最上面的电子或者价带顶的电子在获得动能时（例如加上外加电场通电）可以发生跃迁到附近的空能级，电子容易产生移动，产生电流，即可导电。

半导体中的原子键结合强度适中，容易被破裂形成自由电子和自由空穴，禁带宽度比绝缘体小，部分电子跃迁到导带并在价带留下空穴，外加电场时，导带的电子和价带的空穴将获得动能，形成电流，即一定条件下可以导电。

绝缘体的价电子与近邻原子形成强键，键难以打破，因此没有电子参与导电过程。能带图上表现为大的禁带宽度，价带内被电子填满，导带内能级全空，价带顶的电子无法通过外加电场激发到导带，无法形成电流，即不导电。

3.半导体三大基本特征

半导体的热敏性（temperature sensitive）：环境温度升高时，半导体的导电能力大幅增强，制成的热敏电阻可以用于温度控制。

半导体的光敏性（light sensitive）：当半导体收到光照时，导电能力大幅增强，制成的光敏二极管可以用于光敏控制。

半导体的掺杂性（doping impuritive）：在半导体中掺入一定浓度的杂质后，可改变半导体的导电类型，导电能力也会大幅度增加，利用这种特性可以制造出不同用途的半导体晶体管与集成电路。

二、本征半导体

1.导体、绝缘体与半导体

• 导体–银、铜、铁、铝等金属元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
• 绝缘体–皮革、干燥的木头、惰性气体、橡胶等材料，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，一般强度的电场，不会形成电流（或者非常微弱），只有在外电场强到一定程度时才可能导电。
• 半导体–硅（Si）、锗（Ge）等材料，均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。

2.本征半导体

本征半导体–是指完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。它在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单晶体（材料的纯度要达到99.9999999，常称为“九个9”）.单晶体不但纯度高，在晶格结构上也是没有缺陷的，用这样的单晶体制造的器件才能保证质量。
典型的本征半导体有硅（Si）、锗（Ge）及砷化镓（GaAs）等。特点：纯净、无杂质（不掺杂）；结构稳定。

3.本征半导体的结构

原子之间形成共价键结构。但是共价键中的电子并不像绝缘体中的电子结合的那样紧，由于能量激发（如光照、温度变化），一些电子就能挣脱原有的束缚而成为自由电子。与此同时，某处共价键中失去一个电子，相应地就留下一个空位，成为空穴。自由电子和空穴总是成对出现的。

一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定，能够达到动态平衡；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大，达到新的平衡。

4.本征半导体中的两种载流子：自由电子和空穴

载流子：是指运载电荷的粒子。两种载流子：自由电子和空穴。

当给本征半导体材料外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。

5.杂质（N型和P型）半导体

在本征半导体材料中，加入其他价元素，也就是掺杂。

N型半导体是电子型半导体。

“N”表示负电的意思，取自英文Negative的第一个字母。

在四价的本征半导体材料中掺入五价的磷、砷、锑。自由电子成为多数载流子。N型半导体主要依靠自由电子导电。

由于N型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故N型半导体呈电中性。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。

6.P型半导体 空穴型半导体

以带正电的空穴导电为主的半导体。“P”表示正点的意思，取自英文Positive的第一个字母。

在四价的本征半导体材料中掺入三价的硼（B）。空穴成为多数载流子。P型半导体主要依靠空穴导电。

由于P型半导体中正电荷与负电荷相等，故P型半导体呈电中性。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。

杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂志越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。

7.载流子

在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？

随着温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，材料的导电性增强。载流子密度会随温度变化而变化，导致电学性能变化。少子浓度受温度影响变化倍数更多，例如本身100电子1空穴，增加1电子1空穴，电子浓度几乎不变，空穴浓度翻倍了。