§2.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識習(xí)題1--2015-9-10.doc

2.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識習(xí)題復(fù)習(xí)題.第2章2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識習(xí)題 2.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.1.1. 導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體自然界的物質(zhì)，就其導(dǎo)電性能，大致分為三類：一類是導(dǎo)電性能良好的物質(zhì)叫 ，如銀、銅、鋁、鐵等金屬；另一類是在一般條件下不能導(dǎo)電的物質(zhì)叫 ，如陶瓷、塑料、橡膠、玻璃等；還有一類物質(zhì)，其導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間稱之為 ，如硅、鍺、砷化鎵等。物質(zhì)的導(dǎo)電性能之所以不同，根本原因在于構(gòu)成各種物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)不同，原子和原子間的結(jié)合方式也各不相同。圖7.1.1(a)、(b)所示為常見的半導(dǎo)體材料硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)示意圖，它們分別有14個和32個電子，但最外層均為4個價電子?！玖私狻?半導(dǎo)體導(dǎo)電性能有如下兩個顯著特點(diǎn)：（1） ：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。（2） ：當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。 2.1.2 半導(dǎo)體類型及其導(dǎo)電性能1、半導(dǎo)體類型：半導(dǎo)體材料可按化學(xué)組成，可分為 半導(dǎo)體（鍺Ge，硅Si等 ）和化合物半導(dǎo)體（砷化鎵GaAs）；按其是否含有雜質(zhì)，可分為 半導(dǎo)體；按其導(dǎo)電類型可分為 ；按其載流子類型可分為 。2、單晶體和多晶體日常所見到的固體分為 和晶體兩大類，非晶體物質(zhì)的內(nèi)部原子排列沒有一定的規(guī)律，當(dāng)斷裂時斷口也是隨機(jī)的，如塑料和玻璃等。而稱之為晶體的物質(zhì)，外形呈現(xiàn)天然的有規(guī)則的多面體，具有明顯的棱角與平面，其內(nèi)部的原子是按照一定的規(guī)律整齊的排列起來，所以破裂時也按照一定的平面斷開，如食鹽、水晶等。有的晶體是由許許多多的小晶粒組成，若晶粒之間的排列沒有規(guī)則，這種晶體稱之為 ，如金屬銅和鐵。但也有晶體本身就是一個完整的大晶粒，這種晶體稱之為 ，如水晶和晶剛石。 只有 的半導(dǎo)體才適合制作半導(dǎo)體器件。 3. 本征半導(dǎo)體不含任何雜質(zhì)的單晶半導(dǎo)體，稱為 半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)如圖7.1.2所示。在常溫下，本征半導(dǎo)體只要得到一定的外界能量，有少數(shù)價電子就能掙脫共價鍵和原子核對它的束縛，從而成為自由電子(以后簡稱電子)，同時在原來的位置中留下一個空位，稱它為空穴，如圖7.1.3所示。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，常稱為 。本征半導(dǎo)體受熱或得到其它能量而激發(fā)出電子-空穴對的現(xiàn)象稱為 。 由于出現(xiàn)了空穴，原來顯中性的硅或鍺原子就變成了帶正電的離子，這個正電荷可以認(rèn)為是空穴所具有的?？昭仁蔷Ц裰猩倭穗娮佣霈F(xiàn)的，那么鄰近的共有電子就可以來填補(bǔ)，這種填補(bǔ)可以認(rèn)為是空穴攜帶正電荷在移動。在外電場的作用之下，本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴都可以攜帶電荷作定向移動，即形成電子電流和空穴電流。流過半導(dǎo)體的總電流即為這兩種電流之和。因?yàn)樽杂呻娮雍涂昭ǘ寄苓\(yùn)載電流，所以把它們統(tǒng)稱為 。 空穴可看成帶正電的載流子。 本征半導(dǎo)體在常溫下激發(fā)出的電子-空穴對是很少的，所以它的導(dǎo)電能力相當(dāng)弱。常溫下，本征半導(dǎo)體所能提供的載流子數(shù)目很少，如何提高它們的導(dǎo)電性能呢？在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大提高。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，因摻入元素的不同，可分為兩大類即電子半導(dǎo)體(N型半導(dǎo)體)和空穴半導(dǎo)體(P型半導(dǎo)體)。4.N型半導(dǎo)體(Negative,表示負(fù)的意思)在本征半導(dǎo)體硅或鍺的晶體內(nèi)摻入微量的 價元素雜質(zhì)，如磷，銻等，就形成了N型半導(dǎo)體。由于所摻雜質(zhì)其數(shù)量甚微，整體晶體結(jié)構(gòu)基本不變。但晶體點(diǎn)陣中某些位置的硅原子將被磷原子所取代。磷原子最外層有5個價電子，它以4個價電子與相鄰硅原子組成共價鍵后，還多余1個價電子。這個價電子不受共價鍵的束縛，通常在常溫下即可脫離磷原子而成為自由電子，如圖7.1.4所示。能給出多余價電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。磷原子由于丟失1個價電子而成為帶正電的磷離子，叫施主離子。正離子數(shù)目與電子數(shù)目相等，N型半導(dǎo)體仍然是 的。磷離子不能移動，不能參與導(dǎo)電。摻入1個磷原子則得到1個正離子和自由電子。由此可見，N型半導(dǎo)體中自由電子數(shù)目可以人為控制，摻入微量磷元素就可以使半導(dǎo)體的自由電子數(shù)猛增，但卻不增加空穴數(shù)量。這點(diǎn)與本征半導(dǎo)體產(chǎn)生電子不同，有1個電子必有一個空穴。相反由于自由電子增多，還增加了空穴被復(fù)合的機(jī)會，所以使空穴數(shù)量反而減少。因此，N型半導(dǎo)體中自由電子占絕大多數(shù)， 為其多數(shù)載流子， 則為少數(shù)載流子。N型半導(dǎo)體主要靠帶負(fù)電的電子進(jìn)行導(dǎo)電。5P型半導(dǎo)體 (positive, 表示正的意思)在本征半導(dǎo)體中摻進(jìn)微量的三價元素，如硼，就構(gòu)成了 半導(dǎo)體。硼原子最外層有3個價電子，摻入后，晶體點(diǎn)陣中某些位置為硼原子所取代，它以3個價電子與周圍3個硅原子組成3個完整的共價鍵，還有1個共價鍵缺少1個價電子，因而在1個共價鍵上要出現(xiàn)1個空位，即空穴，如圖7.1.5所示。在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)。在這種半導(dǎo)體中，以空穴導(dǎo)電為主，故 為多數(shù)載流子，而 為少數(shù)載流子。 6雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響摻入雜質(zhì)以后使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能有很大的增強(qiáng)，研究表明，摻入百萬分之一的雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的載流子數(shù)目增加百萬倍，所以雜質(zhì)半導(dǎo)體可被我們用來制作半導(dǎo)體器件。2.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越?jīng)過特殊的工藝加工，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起，則在兩種半導(dǎo)體的交界面處就會出現(xiàn)一個具有特殊物理現(xiàn)象的極薄區(qū)域，稱它為PN結(jié)，PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管和半導(dǎo)體場效應(yīng)管等器件的基礎(chǔ)。*1.PN結(jié)的形成當(dāng)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于P型半導(dǎo)體中空穴為多子，N型半導(dǎo)體中空穴為少子，這樣就形成了一個空穴濃度差。由于這個濃度差的存在，在P區(qū)的空穴就要向N區(qū)擴(kuò)散。同理，N區(qū)的電子也要向P區(qū)擴(kuò)散。我們把因?yàn)闈舛炔疃斐啥鄶?shù)載流子的定向運(yùn)動稱作 。在擴(kuò)散的過程中，電子和空穴相遇后復(fù)合，P型半導(dǎo)體在交界附近只剩下不可動的負(fù)電荷，N型半導(dǎo)體在交界附近只剩下不可動的正電荷，于是便在交界面的兩側(cè)形成一個 ，這就是PN結(jié)，也稱 ，耗盡層，如圖7.2.1所示。 圖7.2.1中，PN結(jié)的右邊帶正電，電位較高，左邊帶負(fù)電，電位較低，由此建立了一個內(nèi)電場，其方向由N區(qū)指向P區(qū)。如圖7.2.1所示，載流子要擴(kuò)散到對方去，就必然要通過此電場。帶電體進(jìn)入電場要受到電場力的作用，空穴帶正電，它受到一個與電場方向相同而與它的擴(kuò)散方向相反的力；電子帶負(fù)電，它受到一個與電場方向相反，也與它的擴(kuò)散方向相反的力。因此，內(nèi)電場的建立對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動起著一個阻礙作用，所以PN結(jié)也叫阻擋層，它就象一個壁壘似的，所以又稱它為勢壘。阻擋層一方面對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動有阻礙作用，另方面，對兩個區(qū)的少數(shù)載流子向?qū)Ψ竭\(yùn)動卻有促進(jìn)作用，我們把這種在電場力的作用下少數(shù)載流子的定向運(yùn)動稱作 。由此可見，在PN結(jié)建立過程中，載流子的運(yùn)動形成有兩種，即擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動。剛開始時，擴(kuò)散運(yùn)動強(qiáng)于漂移運(yùn)動，隨著空間電荷區(qū)的加寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動減弱，而漂移運(yùn)動增強(qiáng)。直到擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的作用相等時，擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到了動態(tài)平衡，即擴(kuò)散過去的載流子數(shù)和漂移過來的載流子數(shù)相等。這時空間電荷區(qū)不再加寬，內(nèi)電場不再增強(qiáng)，便形成了固定的PN結(jié)。 2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)PN結(jié)無外加電壓時，擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動處于平衡狀態(tài)。當(dāng)有外加電壓時，就打破了這種平衡。(1)加正向電壓PN結(jié)導(dǎo)通如圖7.2.2，PN結(jié)兩端加正向電壓時，即P區(qū)接電源 極，N區(qū)接電源 極，外加電壓建立的外電場與內(nèi)電場方向相反，因而削弱了內(nèi)電場的作用，使勢壘降低，PN結(jié)空間電荷區(qū) ，有利于擴(kuò)散運(yùn)動，電路中有較大的正向電流。由于外電場可以不斷補(bǔ)充多子，所以多子可以源源不斷地擴(kuò)散過PN結(jié)，形成較大的電流，此時PN結(jié)呈低阻性。正向電壓越大，阻擋層薄，PN結(jié)正向電阻越小，此時正向電流也就越大，這時我們說PN結(jié) 外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)，又稱正向偏置，簡稱正偏。(2)加反向電壓PN結(jié)截止如圖7.2.3所示，給PN結(jié)加反向電壓時，外加電場的方向與內(nèi)電場的方向相同，因而加強(qiáng)了內(nèi)電場的作用，使勢壘加高，也就是使PN結(jié)的阻擋層變 。于是擴(kuò)散運(yùn)動減弱，甚至無法進(jìn)行。但是這時漂移運(yùn)動卻得到增強(qiáng)，使P區(qū)的少子(電子)和N區(qū)的少子(空穴)在電場的作用下通過PN結(jié)，形成反向電流。由于少子數(shù)目很少，形成的反向電流是很小的。此時PN結(jié)呈高阻性，忽略反向電流，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。反向電壓越大，阻擋層越厚，PN結(jié)的反向電阻也越大。反向電流與反向電壓基本無關(guān)，所以反向電流又稱為反向飽和電流。必須指出：反向電流雖然很小，但它與溫度有密切的關(guān)系。隨著溫度的升高，本征激發(fā)的電子-空穴對增加，少子增加，反向電流也就增加。從上述可知， PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)導(dǎo)通；加反向電壓時，PN結(jié)截止。這種特性稱為PN結(jié)的 。【練習(xí)】1、半導(dǎo)體中兩種載流子：帶負(fù)電的 和帶正電的 2、本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為 對。3、雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種 ： 和P 型半導(dǎo)體。4、在本征半導(dǎo)體硅或鍺的晶體內(nèi)摻入微量的五價元素雜質(zhì)，如磷，銻等，就形成 。5、N 型半導(dǎo)體 稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)， 稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。6、在本征半導(dǎo)體中摻進(jìn)微量的三價元素，如硼，就構(gòu)成了 。7、P 型半導(dǎo)體 為多數(shù)載流子， 為少數(shù)載流子。8. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電 。9、將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起，則在兩種半導(dǎo)體的交界面處就會出現(xiàn)一個具有特殊物理現(xiàn)象的極薄區(qū)域，稱它為 。10. P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在交界面的兩側(cè)形成一個 區(qū)，這就是PN結(jié)，也稱阻擋層，耗盡層。11、PN結(jié)兩端加正向電壓時，即P區(qū)接電源 極，N區(qū)接電源 極12、PN結(jié)兩端加正向電壓時，PN結(jié)空間電荷區(qū) ，PN結(jié)正向電阻 13、PN結(jié)兩端加反向電壓時，PN結(jié)空間電荷區(qū) ，PN結(jié)反向電阻 14、PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié) ；加反向電壓時，PN結(jié) 。這種特性稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?5、半導(dǎo)體中存在的兩種攜帶電荷參與導(dǎo)電的“粒子”，稱為 16、不含任何雜質(zhì)的單晶半導(dǎo)體，稱為 。本征半導(dǎo)體受熱或得到其它能量而