第一章 半导体器件

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1、§1、1半导体的基础知识 我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。 在学习半导体之前我们还要了解一些物质导电性的基础知识：物质为什麽会导电.物质为什麽会导电？ 物质的导电性是由原子结构决定的，一般只有低价元素才导电，像：铁、铜、铝等金属。它们的最外层电子受原子核的束缚力很小，因而很容易脱离原子核的束缚变成自由电子。在外电场的作用下，这些自由电子会产生定向移动，就会产生电流，这样物质就具有了导电性。高价元素的最外层电子受原子核的束缚力很强，不容易成为自由电子，因此它们的导电性很差。经常被作为绝缘体。 半导体的导电性介于导体与绝

2、缘体之间。一: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。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。  在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。  因此，在晶体

3、中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。二：杂质半导体 在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。1.N型半导体11 在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2.P型半导体 在本征半导体中，掺

4、入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。§1、2P—N结(第一页) 我们通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了P—N结，它是构成其它半导体的基础，我们要掌握好它的特性！一：异形半导体接触现象  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。

5、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 11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、2P—N结(第二页)二：PN结的单向导电性我们在PN结两端加不同方向的电压，

6、可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。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为绝对温度，q为电子电量，在室

7、温下（300K）时UT=26mv，IS为反向饱和电流。这个公式我们要掌握好！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11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，而且阻值很高。  由以上我们

8、可以看出：PN结在正向电