清华大学：《模拟电子电路》课程教学资源（PPT课件讲稿）第一章 集成电路元、器件基础（1.1）半导体基础知识

第一章集成电路元、器件基础 介绍半导体的有关基础知识,阐述PN结的原理及主要特性, 讨论以PN结为基本结构的双极型晶体三极管(BJT)和场效应管 (FET)的工作原理、特性及主要参数

第一章 集成电路元、器件基础 介绍半导体的有关基础知识，阐述PN结的原理及主要特性， 讨论以PN结为基本结构的双极型晶体三极管（BJT）和场效应管 （FET）的工作原理、特性及主要参数

1.1半导体基础知识 半导体的概念:导电能力处于导体和绝缘体之间的材料; 原子之间的共价键很弱。 价电子 +32 +14 惯性核 价电子 电子 原子核 图1.1.1锗和硅原子结构模型 (a)Ge;(b)Si;(c)惯性核

1.1 半导体基础知识 半导体的概念：导电能力处于导体和绝缘体之间的材料； 原子之间的共价键很弱

现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层 电子(价电子)都是四个。 锗原子示意图 硅原子示意图

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层 电子（价电子）都是四个。 Ge Si 锗原子示意图 硅原子示意图

1.1.1本征半导体 概念:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 电子能量E 共价键 导带 E 禁带 价带 图1.1.2共价键结构示意图 图1.1.3价电子的能带图

1.1.1 本征半导体 概念：完全纯净的、结构完整的半导体晶体

在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个 原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶 点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电 子 硅和锗的 晶体结构:

在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个 原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶 点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电 子。 硅和锗的 晶体结构：

硅和锗的共价键结构: 共价键共 用电子对 +表示5 除去价电 子后的原

硅和锗的共价键结构： 共价键共 用电子对 +4 +4 +4 +4 +4表示 除去价电 子后的原 子

形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构 共价键有很强的结 合力,使原子规则 <>3入, 排列,形成晶体。 八>A八 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子, 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体 中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱

共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子， 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体 中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结 合力，使原子规则 排列，形成晶体。 +4 +4 +4 +4

本征激发:本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下 获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。 本征激发过程产生两种载流子:①自由电子②空穴 复合:自由电子落入空穴,使自由电子和空穴成对消失 的过程。 电子能量E 自由 空穴 电子 自由电子 禁带 图1.1.4本征激发 (a)自由电子和空穴成对产生;(b)在能带图上示意本征激发

本征激发：本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下 获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。 本征激发过程产生两种载流子：①自由电子 ② 空穴 复 合：自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失 的过程

本征激发过程: 空穴 +4 自由电子 >MEXMTLLA 束缚电子

+4 +4 +4 +4 空穴 自由电子 束缚电子 本征激发过程：

本征半导体中载流子的浓度: T' exp( 2kT 式中:n表示自由电子浓度,p表示空穴的浓度; A是与半导体材料有关的常数; k是波尔兹曼常数,k=8.63×105(eVK); Ea是T=0K时的禁带宽度。 结论:本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度相同, 具体浓度值与半导体材料和温度有很大关系

本征半导体中载流子的浓度： ) 2 exp( 0 2 3 0 k T E n p A T g i = i = − 式中：ni表示自由电子浓度，pi表示空穴的浓度； A0是与半导体材料有关的常数； k是波尔兹曼常数，k=8.63×10-5 (eV.K-1 )； Eg0是T=0K时的禁带宽度。 结论：本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度相同， 具体浓度值与半导体材料和温度有很大关系