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1、广东机电职业技术学院半导体与电子技术指导教师:肖本班级:机电一体化 1004 班姓名:钟荣华学号:061002492012/5/29半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。电子电路中常用的二极管,三极管及场效应管等元件就是由半导体制成的。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技等电子信息产业的发展。半导体室温时电阻率约在 10E-5E 欧姆米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括-族化合物、-族化合
2、物、氧化物,以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。本征半导体：不含杂质且晶格无缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时
3、释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子- 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子- 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。半导体材料的特征：（1）在室温下，它的电导率在 10310-9S/cm 之间, 一般金属为 107104S/cm,而绝缘体则10 -10，最低可达 10-17。同时，同一种半导体材料，因其掺入的杂质量不同，可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化，也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率，而金属的导电
4、性受杂质的影响，一般只在百分之几十的范围内变化，不受光照的影响。（2）当其纯度较高时，其电导率的温度系数为正值，即随着温度升高，它的电导率增大；而金属导体则相反，其电导率的温度系数为负值。（3）有两种载流子参加导电。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中是仅靠电子导电，而在电解质中，则靠正离子和负离子同时导电。半导体中杂质:半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入
5、五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级
6、上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称 N 型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称 P 型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故 N 型半导体中可存在少量导电空穴，P 型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少
7、数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。半导体材料的分类：根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体；根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体；根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体，但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。化合物半导体和固溶体半导体的区别：化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。按其构成元素在元素周期表中的位置可分为 III-V 族、II-IV-V 族等等。由两个或两个
8、以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。本征半导体在热力学温度 T=0k（k 为温度单位，称为开尔文）和没有外界影响
9、的条件下，其价电子全部束缚在共价键中，不存在自由运动的电子。但温度升高或守到光线照射时，少量共价键中的价电子从外界获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚称为自由电子，这种现象称为本证激发。当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键就留下空位，这个空位叫做空穴。由于共价键中出现了空穴，相应原子就带有一个电子电荷量的正点，邻近的共价键中去；而后出现在新的地方的空穴又被其相邻的价电子填补，这种过程持续下去，就相当于空穴晶格中移动。由于带负电荷的价电子依次填补空穴的作用与带正电荷的粒子作方向运动的效果相同，因此在分析时，用空穴的运动来代替共价键中价电子的运动就更加方便。在这里可把空穴看成是一个带正电的
10、载流子，它所带的电量与电子相等，符号相反。由此可见，半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电，分别形成电子电流和空穴电流，这一点金属导体的导电机制不同。 二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。在半导体二极管内部有一个 PN 结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由 p 型半导体和 n 型半导体烧结形成的 p
11、-n 结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于 p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服 PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN 结内电场被克服，二极管导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。反向性：外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数
12、载流子漂移运动所形成反向电流，由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。击穿：外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。 二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降 0.7V，锗管正向管压降为 0.3V，发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。主要有三种颜
13、色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为 2.0-2.2V，黄色发光二极管的压降为 1.82.0V，绿色发光二极管的压降为 3.03.2V，正常发光时的额定电流约为 20mA。 在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流 IS。当反向电压超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号 UBR 表示。不同型号的二极管的击穿电压 UBR 值差别很大，从几十伏到几千伏。二极管的反向击穿反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价
14、键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。如果掺杂浓度较低，势垒区宽度较宽，不容易产生齐纳击穿。另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使电子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子-空穴对。新产生的电子- 空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。无论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成 PN 结永久性损坏。光电二极管和普通二极管一样，也是由一个 PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件
15、。当光照到 PN 结上时，光能被吸收进入晶格，使电子的能级提高，这就导致某些电子脱离它们的原子，因此产生了自由电子与空穴。在光电导光电二极管中，在 PN 结上加一反向电压，由光能在结构附近产生了电子与空穴，它们被电场吸引从相反的方向穿过结形成电流，电流从负载电阻流出产生了输出信号。光的强度越高，产生的空穴与自由电子就越多，电流也就越大。没有光时，电流只有PN 结的小的反向漏电流，这种电流称为暗电流。半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管” 。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的 PN 结，组成一个 PNP（或 NPN）结构。中间的 N 区（或P 区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，
16、这三部分各有一条电极引线，分别叫基极 B、发射极 E 和集电极 C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。晶体三极管按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有 NPN 和 PNP 两种结构形式，但使用最多的是硅 NPN 和锗 PNP 两种三极管，（其中，N 表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而 p 是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍 NPN 硅管的电流放大原理。对于 NPN 管，它是由 2 块 N 型半导体中间夹着一块 P 型半导体所组成，发射区与基区之间形成的 PN 结称为发射结，而集电区与基区形成的 PN 结称为集电结，三条引线分别称为发射极 e、基极 b 和集电极 c。当 b 点电位高于 e 点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而 C 点电位高于 b 点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源 Ec 要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做
