常用半导体器件.ppt

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1、1.1半导体基础知识半导体概念：导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。特点是：①导电性能受环境因素影响；②可通过某种工艺改变其导电性能。电子器件采用的半导体材料：主要是硅材料和鍺材料。其次还有砷化镓和磷化镓材料。——半导体材料在制造电子器件之前首先要经过提纯。经过提纯的半导体称为本征半导体。半导体的导电性取决于其晶体结构。硅材料和锗材料的晶体结构如下图所示。对于电子器件的要求主要有两个：一个是具有放大能力，一个是具有非线性。1.1.1本征半导体共价键结构使得价电子一般不能挣脱共价键的束缚，不能自由移动，所以不导电。在外界因素（温度、光照）影响下，少数价电子获得一定能量，

2、可以挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在原处形成一个空穴。电子和空穴都可以参与导电，半导体的导电能力与电子和空穴浓度有关，电子和空穴浓度与温度和光照条件有关。本征半导体的电子和空穴浓度相等。在一定温度和光照条件下，产生和复合形成动态平衡。在绝对零度和没有光照的情况下，半导体中没有自由电子和空穴产生，此时半导体不导电，如同绝缘体。尽管电子空穴对的产生使得半导体具有一定的导电性，但是其导电性能依然很弱。能够自由移动的带电粒子称为载流子，电子和空穴都是载流子。本征半导体中电子和空穴成对产生，成对复合，即电子浓度和空穴浓度相等。由于电子空穴浓度与温度和光照有关，故本征半导体具

3、有热敏特性和光敏特性。同时表明，电子器件具有温度特性。硅原子外层有32个电子，锗原子外层有24个电子。故硅原子的价电子离原子核远，锗原子的价电子离原子核近，锗原子的价电子更容易挣脱共价键的束缚形成电子空穴对。故一定温度下，鍺材料的电子空穴浓度远远大于硅材料，两者相差三个数量级。实际应用中，硅管比锗管应用更为广泛，因为其温度稳定性好得多。要改变本征半导体的导电性，一般采取掺杂的方法。即在本征半导体材料中掺进三价元素或者五价元素。1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入少量其它元素（杂质）可以极大地改变半导体的导电性能，这种掺入了其它元素的半导体称为杂质半导体。杂质一般有两

4、种：即五价元素（例如磷）和三价元素（例如硼）。所掺入的五价元素的价电子中有一个不能与本征半导体的价电子组成共价键，从而形成一个自由电子。这种半导体提供带负电荷的载流子，故称为N型半导体。一个杂质原子提供一个载流子，故载流子浓度取决于掺杂浓度。掺杂浓度一般很低，但是比本征半导体的载流子浓度高得多，故掺杂使得半导体的导电性能得到很大的改变。由于五价元素提供了自由电子，所以称为施主原子。所掺入的三价元素的价电子中只有三个能与本征半导体的价电子组成共价键，从而形成一个空穴。这种半导体提供带正电荷的载流子，故称为P型半导体。由于三价元素提供了空穴，而空穴可以接受自由电子，所以称

5、为受主原子。杂质半导体的导电性能远远高于本征半导体。N型半导体中，自由电子的浓度远远大于空穴浓度，所以其中自由电子为多数载流子，简称“多子”，而空穴为少数载流子，简称“少子”。P型半导体中，空穴浓度远远大于自由电子浓度，所以其中空穴为多数载流子，即空穴为多子，自由电子为少子。由于杂质半导体中多子浓度大，则与少子复合的机会增大，故“多子越多，少子越少”。杂质半导体中导电性能取决于多子浓度，而多子浓度取决于掺杂浓度，故杂质半导体的导电性能与温度几乎无关。故杂质半导体与本征半导体不同，杂质半导体导电性能比本征半导体高得多，而且导电性能与温度无关；而本征半导体导电性能弱，而且

6、与温度密切相关。半导体器件的核心，是将N型半导体和P型半导体结合到一起，从而形成所谓的PN结。PN结具有非常特殊的导电性能——单向导电性，即非线性导电特性。当将N型半导体和P型半导体做到一起时，则在N型和P型半导体的交界面上会产生特殊的载流子的运动，从而形成一种特殊的内建电场，形成PN结。由于PN结两边的载流子浓度差，所以P区和N区的多子向对方扩散，一方面多子扩散到对方后与对方的多子复合，另一方面在PN结附近的杂质原子因为多子扩散到对方而成为不能移动的带电原子，即离子。扩散导致内电场的建立，内电场一方面阻止扩散的进一步进行，另一方面则导致两边的少子在电场作用下漂移。在

7、一定的温度下，扩散和漂移达到动态平衡。在交界面的一个很窄的区域内，只剩下不能移动的离子，不存在停止不动的载流子，所以称为“耗尽层”；同时，该区域阻止两边多子进一步扩散，所以称为“阻挡层”；另外两边存在电势差，所以称为“势垒区”。扩散运动的加强使得PN结变宽，漂移运动的加强使得PN结变窄。1.1.3PN结温度升高，则本征激发导致N区和P区的少子浓度增大，则漂移运动加强，则PN结宽度变窄。PN结具有特别的外特性：单向导电性。即在PN结上施加外部电压时，正向和反向电压下导电性能有着显著的不同。当PN结的P区接外部电源的正极，N区接外部电源的负极时，则外电场