半导体的基本知识

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1、第1章 半导体的基本知识1.1半导体及PN结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠 性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。半 导体器件是构成电子电路的基础。半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以 组成各种电子电路。顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材 料的特点有一定的了解。1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类通常将很容易导电电阻率小于0-4Q cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料;将很难导电、电阻

2、率大于Oio Q cm的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料;将导电能力介于导体和绝缘体之电阻率在10-4 QcmIO10 Q cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是!和锗(Ge)。用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是 由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导 体不同于导体的特殊性质。1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感例如纯净的锗从0C升高至30C时，它的电阻率几乎减小为原来的/2。而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样

3、0C高时，它的电 阻率几乎不变。2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。一种硫化铜薄膜在暗 处其电阻为几十兆欧姆受，光照后，电阻可以下降至几十千欧姆只，有原来的1%。自动控 制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗 处其电阻率一般没有什么变化。3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的在变半化导。体硅中， 只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降至原来的几万分之。所以，利用这一特性，可 以制造出不同性能、不向用途的半导体器件。而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。半导体之所以具有上述特

4、性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。1.1.2本征半导体原子由原子核和电子构成，原子核由带正电的质子和不带电的中子构成，电子带负电 并围绕原子核旋转。电子以不同的距离在核外分层排布，距核越远，电子的能量越高，最 外层的电子被称为价电子，物质的化学性质就是由价电子的数目决定的。由于现在所用的半导体材料仍然主要是硅和所锗以，在这里只讨论硅和锗的原子结构， 图1-1所示是硅和锗的原子结构简化模型硅。和锗的外层电子都是4个，它们是四价元素。 随着原子间的相互靠近，价电子相互作用并形成晶体。晶体的最终结构是四面体，每个原 子（硅或锗）周围都有4个临近的（硅或锗）原子，分布在两个原子间的价电子构成

5、共价键， 图 1-2 所示是硅和锗四面体结构。图1-1 硅和锗的原子结构简化模型 图1-2 所示是硅和锗四面体结构 硅和锗四面体结构一般用二维平面图来表示，1-图3所示是硅和锗晶体结构平面图。 在晶体结构中，通过电子运动，每一半导体原子最外4层个的价电子与相邻的4个半导体 原子的各一个价电子组成4对共价键，并按规律排列，图中的原子间每条线代表一个价电 子。本征半导体就是以上所说的一种纯净的半导体晶体。在热力学温度（-273C ）无 外部激发能量时，每个价电子都处于最低能态，价电子没有能力脱离共价键的束缚没有 能够自由移动的带电粒子，这时的本征半导体被认为是绝缘体。当价电子在外部能量（如温度升高

6、、光照）作用下，一部分价电子脱离共价键的束缚成 为自由电子，这一过程叫本征激发。自由电子是带负电荷量的粒子，它是本征半导体中的 一种载流子。在外电场作用下，自由电子将逆着电场方向运动形成电流。载流子的这种运 动叫漂移，所形成的电流叫漂移电流。价电子脱离共价键的束缚成为自由电子后，在原来 的共价健中便留下一个空位，这个空位叫空穴。空穴很容易被邻近共价键中跳过来的价电 子填补上，于是在邻近共价键中又出现新的空穴，这个空穴再被别处共价键中的价电子来 填补；这样，在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。在外部能量的作用下，填补空穴 的价电子作定向移动也形成漂移电但流这。种价电子的填补运动是由于空穴的产生

7、引起的， 而且始终是在原子的共价键之间进行的，它不同于自由电子在晶体中的自由运动。同时， 价电子填补空穴的运动无论在形式上还是在效果上都相当于空穴在与价电子运动相反的方 向上运动。为了区分电子的这两种不同的运动，把后一种运动叫做空穴运动，空穴被看作 带正电荷的带电粒子，称它为空穴载流子。1-图4所示是半导体中的两种载流子。图 1-3 硅和锗晶体结构平面图图 1-4 半导体中的两种载流子综上所述，本征半导体中存在两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。 它们是成对出现的，也叫电子空穴对。由于两者电荷量相等，极性相反，所以本征半导体 是电中性的。本征半导体在外界的作用下电，子形成电子电流空

8、，穴形成空穴电流,虽然两 种载流子的运动方向相反，但因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向 是相同的，它们的和就是半导体中的电流。另外需要指出的是价，电子在热运动中获得能量产生了电子空穴这对种，物理现象称 为激发；同时自由电子在运动中与空穴相遇，使电子、空穴对消失，这种现象称为复合。 在一定温度下，载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓度是一定的。本 征半导体中载流子的浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关。而且 随着温度的升高，基本上呈指数规律增加。因此，半导体载流子浓度对温度十分敏感。1.1.3杂质半导体 本征半导体的电阻率比较大载，流子浓度又小，

9、且对温度变化敏感，因此它的用途很 有限。在本征半导体中，人为地掺入少量其他（元称素杂质），可以使半导体的导电性能发 生显著的变化。利用这一特性，可以制成各种性能不同的半导体器件，这样使得它的用途 大大增加。掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体根据。掺入杂质性质的不同可，分为两种： 电子型半导体和空穴型半导体。载流子以电子为主的半导体叫电子型半导体，因为电子带 负电，取英文单词“负”egative的第一个字母“”，所以电子型半导体又称为型半 导体。载流子以空穴为主的半导体叫空穴型半导取英文单词正” （Positive）的第一 个字母“P”，空穴型半导体又称P型半导体。下面以硅材料为例进行讨论。1、N

10、型半导体 在本征半导体中掺入正五价元（素如磷、砷）使每一个五价元素取代一个四价元素在晶 体中的位置，可以形成型半导体。掺入的元素原子51个价电子，其中个与硅原子结 合成共价键，余下的一个不在共价键之内，掺入的五价元素原子对它的束缚力很小。因此 只需较小的能量便可激发而成为自由电子。由于掺入的五价元素原子很容易贡献出一个自 由电子，故称为“施主杂质。”掺入的五价元素原子提供一个电（成子为自由电子）后，它本 身因失去电子而成为正离子。在上述情况下，半导体中除了大量的由掺入的五价元素原子提供的自由电子还外存， 在由本征激发产生的电子空穴对，它们是少数载流子。这种杂质半导体以自由电子导电为 主，因而称

11、为电子型半导体，N型半导体。在N型半导体中，由于自由电子是多数，故 N型半导体中的自由电子称为多数载流简称多子，而空穴称为少数载流子简称少子。2、P型半导体 当本征半导体中掺入正三价杂质元素（如硼、镓）时，三价元素原子为形成四对共价 键使结构稳定，常吸引附近半导体原子的价电子，从而产生一个空穴和一个负离子，故这 种杂质半导体的多数载流子是空穴，因为空穴带正电，所以型半导体，也称为空穴 半导体。除了多数载流子空穴外，还存在由本征激发产生的电子空穴对，可形成少数载流 子自由电子由。于所掺入的杂质元素原子易于接受相邻的半导体原子的价电子成为负离子， 故称为“受主杂质。在P型半导体中，由于空穴是多数故

12、P型半导体中的空穴称为多数 载流子（简称多子），而自由电子称为少数载流（子简称少子）P型半导体和N型半导体均属非本征半导体其中多数载流子的浓度取决于掺入的杂 质元素原子的密度；少数载流子的浓度主要取决于温度；而所产生的离子，不能在外电场 作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。1.1.4 PN吉如果将一块半导体的一侧掺杂成型半导体，而另一侧掺杂成为型半导体，则在 二者的交界处将形成一个N结。1、PN 结的形成在P型和N型半导体的交界面两侧，由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊，所以 中的多数载流子自由电子要向扩散，同时P区中的多数载流空穴也要向区扩散，并 且当电子和空穴相遇时，将发生复合而消失

13、。如1-图5所示。于是，在交界面两侧将分别 形成不能移动的正、负离子区，正、负离子处于晶格位置而不能移动，所以称为空间电荷 区（亦称为内电场）。由于空间电荷区内的载流子数量极少，近似分析时可忽略不计，所以 也称其为耗尽层。空间电荷区一侧带正电，另一侧带负电，所以形成了内n电壌方 向由N区指向P区。在内电场加的作用下,P区和N区中的少子会向对方漂移同时内电 场将阻止多子向对方扩散，当扩散运动的多子数量与漂移运动的少子数量相等，两种运动 达到动态平衡的时候，空间电荷区的宽度一定结就形成了。一般，空间电荷区的宽度很薄约为几微米几十微米由于空间电荷区内几乎没有 载流子，其电阻率很高。P区 : 空间电荷

14、区 ; 対区GG i ；! /oO6 呼i “心F* *Q 7；,.? 浮.務子扩散E步子猱移图1-5 PN结的形成2、PN结的单向导电性在PN结的两端引出电极P区的一端称为阳极N区的一端称为阴极在PN结的两端 外加不同极性的电压时PN结表现出截然不同的导电性能，称为吉的单向导电性。（1在外加正向电压时N结处于导通状态当外加电压使结的阳极电位高于阴极时，称结外加正向电压或N结正向偏置 （简称正偏，如图1-6所示。图中实心点代表电子空心圈代表空穴此时,外加电场Eout 与内电场Ejn的方向相反，其作用是增强扩散运动而削弱漂移运动。所以，外电场驱使 区的多子进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，N也

15、使勺多子电子进入空间电荷区抵 消一部分正空间电荷，其结果是使空间电荷区变窄结呈现低电阻一船为几百欧姆 同时由于扩散运动占主导，形成较大的正向电流及），此时PN结导通，相当于开关的 闭合状态。由于PN结导通时，其电位差只有零点几伏且呈现低电阻，所以应该在其所在 回路中串联一个限流电阻.以防止结因过流而损坏。空间电荷区变窄P区| IN区b- e*9o o o o b._ vv Gl图1-6 PN结加正向偏置导通时的情况（2）在外加反向电压时N结处于截止状态当外加电压使N结的阳极电位低于阴极时，N结外加反向电压或N结反向偏置简 称反偏如图1-7所示。此时，外加电场如 与内电场Ein的方向一致，并与内电场一起 阻止扩散运动而促进漂移运动。其结果是使空间电荷区变宽吉呈现高电阻一般为几 千欧姆几百千欧姆同时由于漂移运动占主导而少子由本征激发产生数量极少，因 而由少子形成的反向电流很小级），近似分析时可忽略不计。此P时结截止，相当于 开关的断开状态。在一定温度下，当外加反向电压超过某（大个约值零点几伏）后，反向电 流将不再随外加反向电压的增加而增大，所以又称其为反向饱和电流1 空间电荷区变宽,A 0 G G eo IQIOI Jul I 00|!OJ图1-7 PN结加反向偏置时截止由上可知，N结正偏时，正向电阻很小，正向电流较大，呈导通状态吉反偏时，反向电阻很大，反向电流非常小呈