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时间:2019-07-06
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1、半导体基础知识和半导体器件工艺第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体,它可以很好的传导电流,如:金属类,铜、银、铝、金等;电解液类:NaCl水溶液,血液,普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体,电流不能通过,如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体,其导电能力介于导体和绝缘体之间,如四族元素Ge锗、Si硅等,三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等,二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值,单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的
2、导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下,绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体,也不同于普通的绝缘体,同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间,而是由于半导体具有以下的特殊性质:(1)温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时,电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件(如热敏电阻等),但是由于半导体的这一特性,容易引起热不稳定性,在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量,需要考虑器件使用环境的温度等,考虑如何散热,
3、否则将导致器件失效、报废。(2)半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍,利用这一特点,可制成光敏三极管、光敏电阻等。(3)在纯净的半导体中加入微量(千万分之一)的其它元素(这个过程我们称为掺杂),可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子,比例为10-7(即千万分之一),硅的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的,而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小,带负电,在一定的轨道上运转;原子核带正电,
4、电荷量与电子的总电荷量相同,两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后,整个原子呈现正电,缺少电子的地方产生一个空位,带正电,成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力,而参与导电的又分为电子和电洞,这样掺杂的元素(即杂质)可分为两种:施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到硅半导体中后,他与邻近的4个硅原子作用,产生许多自由电子参与导电,而杂质本身失去电子形成正离子,但不是电洞,不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素:锑、磷、砷等。将施主杂质加到半导体中后,他与邻近的4个硅原子作用,产生许多电
5、洞参与导电,这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素:铝、镓、铟、硼等。电洞和电子都是载子,在相同大小的电场作用下,电子导电的速度比电洞快。电洞和电子运动速度的大小用迁移率来表示,迁移率愈大,截流子运动速度愈快。假如把一些电洞注入到一块N型半导体中,N型就多出一部分少数载子――电洞,但由于N型半导体中有大量的电子存在,当电洞和电子碰在一起时,会发生作用,正负电中和,这种现象称为复合。单个N型半导体或P型半导体是没有什么用途的。但使一块完整的半导体的一部分是N型,另一部分为P型,并在两端加上电压,我们会发现有很奇怪的现象。如果将P型半导体接电源的正极
6、,N型半导体接电源的负极,然后缓慢地加电压。当电压很小时,一般小于0.7V时基本没有电流流过,但大于0.7V以后,随电压的增加电流增加很快,当电压增加到一定值后电流几乎就不变化了。这样的连接方法为正向连接,所加的电压称为正向电压。将N型半导体接电源的正极,P型半导体接电源的负极,当电压逐渐增大时,电流开始会有少量的增加,但达到一定值后电流就保持不变,并且电流值很小,这个电流叫反向饱和电流、反向漏电流。当电压继续加到一定程度时,电流会迅速增加,这时的电压称为反向击穿电压。这是由于载子(电子和电洞)的扩散作用,在P型和N型半导体的交界面附近,由于电子和电洞的扩
7、散形成了一个薄层(阻挡层),这个薄层称作PN接面。在没有外加电压时,PN接面本身建立起一个电场,电场的方向是由N区指向P区,从而阻止了电子和电洞的继续扩散。当外加正电压时,削弱了原来存在于PN接面中的电场,在外加电场的作用下,N 区的电子不断地走向P区,P区的电洞不断地走向N区,使电流流通。当外加反向电压时,加强了电场阻止电子和电洞流通的作用,因此电流很难通过。这就是PN接面的单向导电性。半导体二极管是由一个PN接面组成,而三极管由两个PN接面组成:射极接面和集极接面。这两个接面把晶体管分成三个区域:发射区、基区和集电区。由于这三个区域的电类型不同,
8、又可分为PNP晶体管和NPN晶体管。PNP晶体管和NPN晶体管虽然
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