電子技術(shù)基礎(chǔ)項目化教程課件 項目一 半導(dǎo)體器件的認識 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識

1.2相關(guān)知識1.2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識總目錄下頁

自然界中根據(jù)導(dǎo)電能力分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。常用的導(dǎo)體一般為銀、銅、鋁等物體；絕緣體為橡膠、塑料、膠木等；導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。自然界中屬于半導(dǎo)體的物質(zhì)很多，用來制造半導(dǎo)體器件的材料主要是硅（Si）、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)等，硅用得最廣泛。其次是鍺。

將上述的半導(dǎo)體材料進行特殊加工，使其成為性能可控，即可用來制造構(gòu)成電子電路的基本元件—半導(dǎo)體器件。1.2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識下頁上頁首頁

半導(dǎo)體除了在導(dǎo)電能力方面不同于導(dǎo)體和絕緣體外，它還具有以下一些其他特點：當(dāng)半導(dǎo)體受光照射或熱刺激時，其導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著改變；摻雜性，即在純凈半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力也

會顯著增加。

利用半導(dǎo)體的這些特性可制成二極管、晶體管、場效應(yīng)管；還可制成各種不同性能、不同用途的半導(dǎo)體器件，例如光電二極管、光電晶體管、光敏電阻和熱敏電阻等。1.半導(dǎo)體的特性下頁上頁首頁

（1）本征半導(dǎo)體

純凈的、結(jié)構(gòu)完整具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。1）本征半

導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和單晶體結(jié)構(gòu)

常用的半導(dǎo)體材料硅和鍺都是四價元素，其原子最外層軌道上有四個電子（稱為價電子）。為便于討論，采用圖1-1所示的簡化原子結(jié)構(gòu)模型。在單晶體結(jié)構(gòu)中，相鄰兩個原子的一對最外層電子成為共有電子，它們不僅受到自身原子核的作用，同時還受到相鄰原子核的吸引。2.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體下頁上頁首頁

于是，兩個相鄰的原子共有一對價電子，組成共價鍵結(jié)構(gòu)。故在晶體中，每個原子都和周圍的４個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來，如圖1-2所示。下頁上頁首頁圖1-1硅和鍺簡化原子模型圖1-2

本征半導(dǎo)體共價鍵

晶體結(jié)構(gòu)示意圖2）本征激發(fā)和兩種載流子（自由電子和空穴）

在絕對零度下，本征半導(dǎo)體中沒有可以自由移動的電荷（載流子），因此不導(dǎo)電，但在一定的溫度和光照下，少數(shù)價電子由于獲得了足夠的能量擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子，這種現(xiàn)象叫本征激發(fā)。價電子擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子后，在原來共價鍵中必留有一個空位，稱為空穴。原子失去價電子后帶正電，可等效地看成是因為有了帶正電的空穴。在本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，數(shù)目相同，如圖1-3所示。下頁上頁首頁空穴很容易吸引鄰近共價鍵中的價電子去而被添補，從而使空位發(fā)生移動，這種價電子添補空位的運動可以看成是空穴在運動，稱為空穴運動。其運動方向與電子的運動方向相反。下頁上頁首頁圖1-3

本征半導(dǎo)體中的

自由電子和空穴

自由電子和空穴在運動中相遇時會重新結(jié)合而成對消失，這種現(xiàn)象叫復(fù)合。溫度一定時，自由電子和空穴的產(chǎn)生與復(fù)合達到動態(tài)平衡自由電子和空穴的濃度一定。

本征半導(dǎo)體中的帶負電的自由電子又叫電子載流子，帶正電的空穴又叫空穴載流子，因此半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，分別形成電子電流和空穴電流，這一點與金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同。在常溫下，本征半導(dǎo)體中的載流子濃度很低，溫度的升高，載流子濃度基本上按指數(shù)規(guī)律增加，因此，半導(dǎo)體中載流子的濃度對溫度十分敏感。下頁上頁首頁

（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)元素，可顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，摻雜后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，可形成兩種不同的雜質(zhì)半導(dǎo)體，即N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。下頁上頁首頁1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中，摻入微量五價元素，如磷、銻、砷等，則原來晶體中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有五個價電子，因此它與周圍四個硅(鍺)原子組成共價鍵時，還多余一個價電子。下頁上頁首頁這個多余的價電子受雜質(zhì)原子束縛力較弱，很容易成為自由電子，并留下帶正電的雜質(zhì)離子，稱為施主離子，半導(dǎo)體仍然是電中性，如圖1-4（a）所示。

摻入多少個雜質(zhì)原子就能產(chǎn)生多少個自由電子，因此自由電子的濃度大大增加，這時由本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴被復(fù)合的機會增多，使空穴的濃度反而減少，顯然，這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠遠大于空穴的濃度，主要靠電子導(dǎo)電，所以稱為電子型半導(dǎo)體，又叫Ｎ型半導(dǎo)體。Ｎ型半導(dǎo)體中，將自由電子稱為多數(shù)載流子（簡稱多子）；空穴稱為少數(shù)載流子（簡稱少子）。下頁上頁首頁2）P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中，摻入微量三價元素，如硼、鎵、銦等，則原來晶體中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層只有三個價電子，因此它與周圍四個硅(鍺)原子組成共價鍵時因缺少一個價電子而產(chǎn)生一個空位，室溫下這個空位極容易被鄰近共價鍵中的價電子所填補，使雜質(zhì)原子變成負離子，稱為受主離子，如圖1-4（b）所示。

這種摻雜使空穴的濃度大大增加，這是以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，所以稱為空穴型半導(dǎo)體，又叫P型半導(dǎo)體，其中空穴為多子，自由電子為少子。下頁上頁首頁

雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要取決于多子濃度，多子濃度主要取決于摻雜濃度，其值較大并且穩(wěn)定，因此導(dǎo)電性能得到顯著改善。少子濃度主要與本怔激發(fā)有關(guān)，因此對溫度敏感，其大小隨溫度的升高而增大。3.PN結(jié)

（1）PN結(jié)的形成

在同一塊半導(dǎo)體基片的兩邊分別做成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。由于P型半導(dǎo)體中空穴的濃度大、自由電子的濃度小，N型半導(dǎo)體中自由電子的濃度大、空穴的濃度小，即在交界面兩側(cè)的兩種載流子濃度有很大的差異，因此會產(chǎn)生載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動，這種運動稱為擴散，如圖1-5（a）所示。P區(qū)中的多子空穴擴散到N區(qū)，與N區(qū)中的自由電子復(fù)合而消失；N區(qū)中的多子電子向P區(qū)擴散并與P中的空穴復(fù)合而消失。結(jié)果使交界面附近載流子濃度驟減，形成了由不能移動的雜質(zhì)離子構(gòu)成的空間電荷區(qū)，同時建立了內(nèi)建電場（簡稱內(nèi)電場），內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，如圖1-5（b）所示。下頁上頁首頁

內(nèi)電場將產(chǎn)生兩個作用：一方面阻礙多子的擴散，另一方面促使兩個區(qū)靠近交界面處的少子越過空間電荷區(qū)，進入對方，少子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。起始時內(nèi)電場較小，擴散運動較強，漂移運動較弱，隨著擴散的進行，空間電荷區(qū)增寬，內(nèi)電場增大，擴散運動逐漸困難，漂移運動逐漸加強。外部條件一定時，擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡，即擴散過去多少載流子必然漂移過來同樣多的同類載流子，因此擴散電流等于漂移電流，這時空間電荷區(qū)的寬度一定，內(nèi)電場一定，形成了所謂的PN結(jié)。下頁上頁首頁

由于空間電荷區(qū)中載流子極少，都被消耗殆盡，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)。另外，從PN結(jié)內(nèi)電場阻止多子繼續(xù)擴散這個角度來說，空間電荷區(qū)也可稱為阻擋層或勢壘區(qū)。下頁上頁首頁

（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果在PN兩端加上不同極性的電壓，PN結(jié)會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。。下頁上頁首頁1）PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)P區(qū)接電位高端、N區(qū)接電位低端，則稱PN結(jié)外接正向電壓或PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏；如圖1-6（a）所示。PN結(jié)正偏時，外電場使PN結(jié)變窄，這時內(nèi)電場減弱，擴散運動將大于漂移運動，從而形成較大的擴散電流，擴散電流通過回路形成正向電流。這時PN所處的狀態(tài)稱為正向?qū)ǎê喎Q導(dǎo)通）。PN正向?qū)〞r，通過PN的電流（正向電流）大，而PN呈現(xiàn)的電阻（正向電阻）小。為了限制正向電流值，通常在回路中串接限流電阻R。下頁上頁首頁2）PN結(jié)外加反向電壓PN結(jié)P區(qū)接電位低端、N區(qū)接電位高端，則稱PN結(jié)外接反向電壓或PN結(jié)反向偏置，簡稱反偏，如圖1-5（b）所示。下頁上頁首頁PN結(jié)反偏時，外電場使空間電荷區(qū)變寬。因此，內(nèi)電場增強，多子的擴散運動受阻，而少子的漂移運動加強，這時通過PN結(jié)的電流（稱為反向電流）由少子的漂移電流決定。由于少子濃度很低，所以反向電流很小，一般為微安級，相對于正向