半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子電路的基本元件，它們所用的材料是經(jīng)過(guò)特殊加工且性能可控的半導(dǎo)體材料。

本征半導(dǎo)體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體：物質(zhì)的導(dǎo)電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素，它們的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子，在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。高價(jià)元素(如惰性氣體)或高分子物質(zhì)(如橡膠)，它們的最外層電子受原子核束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，所以導(dǎo)電性極差，成為絕緣體。常用的半導(dǎo)體材料硅(Si)和鍺(Ge)均為四價(jià)元素，它們的外層電子既不像導(dǎo)體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛的那么緊，因而其導(dǎo)電性介于二者之間。在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素時(shí)，導(dǎo)電性能具有可控性；并且，在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性還有明顯的變化；這些特殊的性質(zhì)就決定了半導(dǎo)體可以制成各種電子器件。

本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)：將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)一定的工藝過(guò)程制成單晶體，即為本征半導(dǎo)體。晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱為晶格。由于相鄰原子間的距離很小，因此，相鄰的兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子(即價(jià)電子)不但各自圍繞自身所屬的原子核運(yùn)動(dòng)，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，這樣的組合稱為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。

本征半導(dǎo)體中的兩種載流子：晶體中的共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，因此，在常溫下，僅有極少數(shù)的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)(熱激發(fā))獲得足夠的能量，從而掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子。與此同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位置，稱為空穴。原子因失掉一個(gè)價(jià)電子而帶正電，或者說(shuō)空穴帶正電。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，即自由電子與空穴數(shù)目相等。這樣，若在本征半導(dǎo)體兩端外加一電場(chǎng)，則一方面自由電子將產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電子電流；另一方面由于空穴的存在，價(jià)電子將按一定的方向依次填補(bǔ)空穴，也就是說(shuō)空穴也產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成空穴電流。由于自由電子和空穴所帶電荷極性不同，所以它們的運(yùn)動(dòng)方向相反，本征半導(dǎo)體中的電流是兩個(gè)電流之和。運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。導(dǎo)體導(dǎo)電只有一種載流子，即自由電子導(dǎo)電；而本征半導(dǎo)體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì)。

本征半導(dǎo)體中載流子的濃度：半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，而兩者同時(shí)消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對(duì)，與復(fù)合的自由電子與空穴對(duì)數(shù)目相等，故達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。換言之，在一定溫度下，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多，則載流子的濃度升高，因而必然使得導(dǎo)電性能增強(qiáng)。反之，若環(huán)境溫度降低，則載流子的濃度降低，因而導(dǎo)電性能變差，可見(jiàn)，本征半導(dǎo)體載流子的濃度是環(huán)境溫度的函數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能很差，且與環(huán)境溫度密切相關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對(duì)溫度的這種敏感性，既可以用來(lái)制作熱敏和光敏器件，又是造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。

本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部載流子

雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻入的雜質(zhì)元素不同，可形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體；控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。

N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素(如磷)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。由于雜質(zhì)原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，所以除了與其周圍硅原子形成共價(jià)鍵外，還多出一個(gè)電子。多出的電子不受共價(jià)鍵的束縛，只需獲得很少的能量，就成為自由電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就可使它們成為自由電子。而雜質(zhì)原子因在晶格上，且又缺少電子，故變?yōu)椴荒芤苿?dòng)的正離子。N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子；簡(jiǎn)稱前者為多子，后者為少子，由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱之為施主原子。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子(自由電子)的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。

P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素(如硼)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半導(dǎo)體。由于雜質(zhì)原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，所以當(dāng)它們與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)“空位”(空位為電中性)，當(dāng)硅原子的外層電子填補(bǔ)此空位時(shí)，其共價(jià)鍵中便產(chǎn)生了一個(gè)空穴。而雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)的負(fù)離子。因而P型半導(dǎo)體中空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電。與N型半導(dǎo)體相同，摻入的雜質(zhì)越多，空穴的濃度就越高，使得導(dǎo)電性能越強(qiáng)。因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。

N型、P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

從以上分析可知，由于摻入的雜質(zhì)使多子的數(shù)目大大增加，從而使多子與少子復(fù)合的機(jī)會(huì)大大增多。因此，對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多子的濃度愈高，少子的濃度就愈低。可以認(rèn)為，多子的濃度約等于所摻雜質(zhì)原子的濃度，因而它受溫度的影響很少；而少子是本征激發(fā)形成的，所以盡管其濃度很低，卻對(duì)溫度非常敏感，這將影響半導(dǎo)體器件的性能。

PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)的形成：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起時(shí)，在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因而P區(qū)的空穴必然向N區(qū)擴(kuò)散，與此同時(shí)，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴(kuò)散。由于擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動(dòng)的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)電場(chǎng)。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。在電場(chǎng)力作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)電場(chǎng)作用下，少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，空穴從N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。在無(wú)外電場(chǎng)和其他激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)。此時(shí)，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為，電流為零。空間電荷區(qū)內(nèi)，正、負(fù)電荷的電量相等；因此，當(dāng)P區(qū)與N區(qū)雜質(zhì)濃度相等時(shí)，負(fù)離子區(qū)與正離子區(qū)的寬度也相等，稱為對(duì)稱結(jié)；而當(dāng)兩邊雜質(zhì)濃度不同時(shí)，濃度高一側(cè)的離子區(qū)寬度低于濃度低的一側(cè)，稱為不對(duì)稱PN結(jié)；兩種結(jié)的外部特性是相同的。絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)自由電子和空穴都非常少，在分析PN結(jié)特性時(shí)常忽略載流子的作用，而只考慮離子區(qū)的電荷，這種方法稱為“耗盡層近似”，故也稱空間電荷區(qū)為耗盡層。

PN結(jié)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/strong>：如果在PN結(jié)的兩端外加電壓，就將破壞原來(lái)的平衡狀態(tài)。此時(shí)，擴(kuò)散電流不再等于漂移電流，因而PN結(jié)將有電流流過(guò)。當(dāng)外加電壓極性不同時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能，即呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)加外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通：當(dāng)電源的正極(或正極串聯(lián)電阻后)接到PN結(jié)的P端，且電源的負(fù)極(或負(fù)極串聯(lián)電阻后)接到PN結(jié)的N端時(shí)，稱PN結(jié)外加正向電壓，也稱正向接法或正向偏置。此時(shí)外電場(chǎng)將多數(shù)載流子推向空間電荷區(qū)，使其變窄，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，破壞了原來(lái)的平衡，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，漂移運(yùn)動(dòng)減弱。由于電源的作用，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將源源不斷地進(jìn)行，從而形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通。PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)的結(jié)壓降只有零點(diǎn)幾伏，因而應(yīng)在它所在的回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，以限制回路的電流，防止PN結(jié)因正向電流過(guò)大而損壞。

PN結(jié)加外加反向電壓時(shí)截止：當(dāng)電源的正極(或正極串聯(lián)電阻后)接到PN結(jié)的N端，且電源的負(fù)極(或負(fù)極串聯(lián)電阻后)接到PN結(jié)的P端時(shí)，稱PN結(jié)外加反向電壓，也稱反向接法或反向偏置。此時(shí)外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，而加劇漂移運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，形成反向電流，也稱為漂移電流。因?yàn)樯僮拥臄?shù)目極少，即使所有的少子都參與漂移運(yùn)動(dòng)，反向電流也非常小，所以在近似分析中常將它忽略不計(jì)，認(rèn)為PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。

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