半导体二极管和三极管
二. N型半导体和P型半导体
1. 本征半导体与掺杂半导体
在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少 的，其导电能力相当低。 如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺 杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。
由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大 类——N型半导体和 P型半导体。
半导体二极管和三极管
• 肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷统称点缺陷。 • 虽然这两种点缺陷同时存在，但由于在Si、Ge中形成间隙
原子一般需要较大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性
远比弗仑克尔缺陷大，因此Si、Ge中主要的点缺陷是空位
(a) 弗仑克尔缺陷 (b) 肖特基缺陷 图1.11 点缺陷
半导体二极管和三极管
价电子受到激发，形成自 由电子并留下空穴。 自由电子和空穴同时产生 半导体中的自由电子和空 穴都能参与导电——半导 体具有两种载流子。
价电子
硅原子
载流子的产生与复合：
共价键
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• 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现， 同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子 的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度 与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多， 导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能 影响很大。 • 半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自 由电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多， 产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强。 故半导体器件对光照很敏感。 • 杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍。
一晶面发生移动，如图1.12(a)所示。这种相对移动称为滑移， 在其上产生滑移的晶面称为滑移面，滑移的方向称为滑移向。
(a) (b) 图1.12 应力作用下晶体沿某一晶面的滑移
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• 实验表明滑移运动所需应力并不很大，因为参加滑移的所有原 子并非整体同时进行相对移动，而是左端原子先发生移动推动 相邻原子使其发生移动，然后再逐次推动右端的原子，最终是 上下两部分原子整体相对滑移了一个原子间距b，见图1.12(b)。 • 这时虽然在晶体两侧表面产生小台阶，但由于内部原子都相对 移动了一个原子间距，因此晶体内部原子相互排列位置并没有 发生畸变。 • 在上述逐级滑移中会因为应力变小而使滑移中途中止，就出现 了图1.13(a)所示的情况。 • 如果中途应力变小使滑移中止，滑移的最前端原子面AEFD左 侧原子都完成了一个原子间距的移动，而右侧原子都没有移动， 其结果是好像有一个多余的半晶面AEFD插在晶体中，见图 1.13(b)。
0.5 半导体中的杂质和缺陷
0.5.1 杂质
N型掺杂 P型掺杂 浅能级杂质 深能级杂质 电活性杂质 电中性杂质 替位式杂质 间隙式杂质 （掺杂类型）
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（杂质能级）
（导电性能）
（掺杂方式）
0.5.2 缺陷
点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷
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• 弗仑克尔缺陷：一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，
光纤通信是未来通信的发展方向，用的主要是 半导体激光器。半导体激光器与发光二极管都是 靠材料中的电子和空穴退激使发光，硅和锗等元 素半导体退激时只引起发热，砷化镓等化合物半 导体中退激时会发光。砷化镓发近红外光。
4．太阳能电池（光生伏特特性） 太阳能电池是利用P－N结的光生伏特效应，最 重要的参数是电转换效率，非晶硅太阳电池，转 换效率约10%，成本低；砷化镓晶体太阳电池转 换效率可达20%以上，但成本高。太阳能电池广 泛应用于人造卫星和航天器上。
RH 1 nq
E y vxBZ 令 RH 1 pq
E y RH J xBZ
RH H RH H 1 p pq 1 n nq
0.4.6 半导体的光学性质
(1).光吸收与光电导
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根据欧姆定律：
J E
所以， n n p p e

1

n
1
n
p
p
e
0.4.5 半导体的霍尔效应
霍尔效应是测量半导体 材料导电类型、载流子浓度
半导体二极管和三极管
和迁移率等基本性能和霍尔
效应器件应用的基础。
J pqv qE
y
x
qv x B Z Jx pq BZ
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分
导体、绝缘体和半导体。
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的一大 类固体材料。 贝格尔：10-5～1011Ω •cm； 林兰英、万群： 10-3～109Ω •cm
师昌绪： 10-3～107Ω •cm
邓志杰、郑安生：10-4～1010Ω •cm
常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化 物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。
0.2半导体分类 一、本征半导体
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完全纯净、具有一定晶体结构的半导体
最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同 特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。
+
Si
+
Ge
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提纯的硅材料可形成单晶——单晶硅
相邻原子由外层电子形成共价键
共价键
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P - n 结整流特性
U
i正
P型
N型
பைடு நூலகம்
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U
i反
P型
N型
晶体管：二极管和三极管
二极管单向导电，三极管放大
半导体二极管和三极管 2．集成电路：采用氧化、光刻、扩散掺杂等工艺 把晶体管、电阻、电容等元件集成于一块半导体芯 片上，封装成多脚的器件。主要优点：小、轻、电 路性能好且可靠，成本低。电子产品的不断更新换 代，主要得益于集成电路技术的迅速发展
其中某些原子能够获得较大的热运动能量，克服周围原子化学 键束缚而挤入晶体原子间的空隙位置，形成间隙原子，原先所 处的位置相应成为空位。这种间隙原子和空位成对出现的缺陷 称为弗仑克尔缺陷。
• 肖特基缺陷：由于原子挤入间隙位置需要较大的能量，所以
常常是表面附近的原子A和B依靠热运动能量运动到外面新的一 层格点位置上，而A和B处的空位由晶体内部原子逐次填充，从 而在晶体内部形成空位，而表面则产生新原子层，结果是晶体 内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。
半导体材料与工艺
0.1 序
• 以集成电路（IC）技术（微电子技术）为 代表的半导体技术是近50多年来发展最迅 速的技术。 • 半导体技术生产生活、国防科技…… （Si、Ge、GaAs、InP、HgCdTe、 GaN、SiC……） • 半导体技术是衡量一个国家科学技术发展 水平的一项重要标志。
半导体的导电特性
不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多 数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。
三、半导体材料的应用简介 1.p-n结和晶体管
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p-n结是构成各种半导体器件的基础，其最重要 的特性是单向导电性 P-n结的构造： 扩散 N型杂质
E
P型
N型
P型衬底 P型半导体与n型半导型接触形成的偶电层结构 这种结构称为P-n结。
半导体材料的特性： 1. 纯净半导体的导电能力很差； 2. 温度升高——导电能力增强；
3. 光照增强——导电能力增强；
4. 掺入少量杂质——导电能力增强。
半导体与金属、绝缘体之间的界限也不是绝 对的。 • 重掺杂半导体的导电性能与金属类似（可 具有正的电阻温度系数）； • 在低于1K温度下，有些半导体（如GeTe、 SnTe、SrTiO3等）可显示出超导性； • 纯净的半导体材料在较低温度下（低于其 本征激发温度）下就是绝缘体； • 半导体材料并不仅限于固体，也有液态半 导体。
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2. N型半导体
当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素) 时，磷原子与周围的四个硅原子形成共价键后，磷 原子的外层电子数将是 9 ，比稳定结构多一个价电 子。
Si Si Si P Si
+
P
Si
Si
多余 电子
半导体二极管和三极管
掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式， 称之为电子半导体或N型半导体。 在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数 载流子。 室温情况下，本征硅中n0=p0~1.51010/cm3，当磷 掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几 十万倍。
图1.13 刃型位错
(b)
半导体二极管和三极管
• 图1.14所示的称为螺旋位错的滑移是沿BC方向，而原子移 动沿BA方向传递，位错线AD和滑移方向平行。与刃型位
1 k k

2 2 h k E (k ) E 0 * 2m
0.4.4 半导体的电导
在外电场E作用下,电子和空穴的漂移速度为：
vn n E vp pE
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半导体的电流密度J为：
J nv n pv
p
e
J n n E p p E e n n p p e E
h h 0 E g
本征吸收
0
1 . 24 Eg
(m )
本征吸收使电子、空穴浓度分别增加△n、△p，则半导体电导率增量为：
n n p p e
半导体光电导效应
(2).光生伏特效应
适当波长的光照射非均匀半导体（如pn结），由于内建电场的作用（无外电 场），半导体内部产生电动势，这种由内建电场引进的光电效应就是光生伏 特效应。
半导体二极管和三极管
• 在AD线周围晶格产生畸变，而距AD线较远处似乎没有影响， 原子仍然规则排列，这种缺陷称为位错，它是一种发生在AD 线附近的线缺陷，AD线称为位错线。