《半导体器》word版

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1、第一章半导体器件§1、1半导体的基础知识自然界的各种物质就其导电性能来说，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介乎导体和绝缘体之间。1.1.1.本征半导体纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。  在外电场作用下，自由电子产生定向

2、移动，形成电子电流；一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，将这种物理现象称作为本征激发。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，在一定温度下达到动态平衡，载流子便维持一定数目。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。动画演示两种载流子1.1.2.掺杂半导体相对而言，本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半

3、导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。N型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。P型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。§1、2PN结1．2．1异形半导体

4、接触现象在形成的P—N结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从N区向P区扩散；空穴从P去向N区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场(自建场).它们的形成过程如图（1），（2）所示在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。此时，PN结的

5、交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。1．2．2PN结的单向导电性1．PN结外加正向电压PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区。如图（1）所示这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。它的关系是指数关系：其中：ID为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压，UT=kT/q称为温度电压当量，其中，k为波尔兹曼常数，T

6、为绝对温度，q为电子电量，在室温下（300K）时UT=26mv，IS为反向饱和电流。2．PN结外加反向电压它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流。即：ID=-IS此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻

7、值很高。由以上我们可以看出：PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。它的电流和电压的关系通式为：它被称为伏安特性方程，如图（3）所示为伏安特性曲线。3．PN结的击穿PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。 击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。 对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，因此一般使用

8、时要避免。 需要指出的是，发生击穿并不意味着PN结烧坏。2．PN结的电容效应由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容