半导体的基本知识

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1、半导体的基本知识1. 导体、绝缘体和半导体物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的 导电特性取决于原子结构。（1）导体导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层 电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束 缚成为自由电子。因此在外电场作用下, 这些电子产生 定向运动（称为漂移运动）形成电流, 呈现出较好的导电 特性。（2）绝缘体 高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶, 塑料）最 外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的 束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。(3) 半导体半导体的最外层电子数一般为4个，既不像导体那样极 易摆脱原子核的

2、束缚，成为自由电子，也不像绝缘体那 样被原子核束缚得那么紧，因此，半导体的导电特性介 于二者之间。常用的半导体材料有硅、错、硒等。2. 半导体的独特性能金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等 绝缘体的电导率通常是10-2210-14s/cm量级；半导体 的电导率则在10-9102s/cm量级。半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导 体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的: 光敏性一一半导体受光照后，其导电能力大大增强热敏性受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性一一在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理

3、所决定的O3. 本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体 材料是硅和错，它们都是四价兀素，在原子结构中最外 层轨道上有四个价电子。如图1. 1. 1所示为便于讨论，采用图1.1.2所示的简化原子结构模型。把硅或错材料拉制成单晶体时，相邻两个原子的一对最 外层电子（价电子）成为共有电子，它们一方面围绕自身 的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到 相邻原子核的吸引。于是，两个相邻的原子共有一对价 电子，组成共价键结构。故晶体中，每个原子都和周围 的4个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来，如图 1.1.3所示。从共价键晶格

4、结构来看，每个原子外层都具有8个价电 子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝 缘体那样好。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧, 一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电 子。游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空 穴。由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征 激发。本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运 动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电 子的原子变成带正电荷的离子。由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即 不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接 跳进空穴，

5、使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填 补空穴的现象称为复合。参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的 空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种 价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种 不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自 由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为 空穴载流子运动。自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空 穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位 的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一 定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理：半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别: 金属导体中只有自由电子一

6、种载流子参与导电；而半导 体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴 两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号 相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。4. 杂质半导体在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其 导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺 入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同, 有N型半导体和P型半导体两种。(1) N型半导体在本征半导体中，掺入微量5价元素，如磷、锑、砷等, 则原来晶格中的某些硅

7、(锗)原子被杂质原子代替。由于 杂质原子的最外层有5个价电子，因此它与周围4个硅 （锗）原子组成共价键时，还多余1个价电子。它不受 共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只 要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电的 杂质离子，它不能参与导电，如图1.1.4所示。显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，即 nn>> ;pn（下标n表示是N型半导体），主要靠电子 导电，所以称为N型半导体。由于5价杂质原子可提供 自由电子，故称为施主杂质。N型半导体中，自由电子 称为多数载流子；空穴称为少数载流子。（2）P型半导体在本征硅（或锗）中掺入少量的三价元素，如硼、铝、

8、铟 等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的 某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成 共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因 缺少一个价电子而出现一个空位，如图1.1.5所示。（3）P型、N型半导体的简化图示图1.1.6所示为P型、N型半导体的简化图N型半导体：自由电子称为多数载流子；空穴称为少数 载流子，载流子数电子数P型半导体：空穴称为多数载流子；自由电子称为少数 载流子，载流子数空穴数5. PN 结（1） PN结的形成1）载流子的浓度差引起多子的扩散在一块完整的晶片上，通过一定的掺杂工艺，一边形成P 型半导体，另一边形成N型半导体。P型半导体和N型半 导体有机

9、地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区 一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓 度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电 子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被 空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受 主负离子和施主正离子。上述过程如图1.17（a）所示。 结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间 电荷区，如图1.1.7（b）所示。2）复合使交界面形成空间电荷区（耗尽层）空间电荷区的特点：无载流子，阻止扩散进行，利于少 子的漂移。3）扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流1= 0。（2） PN结的单向导电特性在PN结两端外加电压,称为

10、给PN结以偏置电压。1） PN结正向偏置给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极,N区接电源 负极,此时称PN结为正向偏置（简称正偏），如图1.1.8 所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的 内电场方向相反,削弱了内电场，使PN结变薄，有利于两 区多数载流子向对方扩散,形成正向电流，此时PN结处 于正向导通状态。2. PN结反向偏置给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极,P区接电源 负极，称PN结反向偏置（简称反偏），如图1.1.9所示。 由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场， 使PN结加宽，阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用 下，只有少数载流子形成的很微弱的电流，

11、称为反向电流。注：少数载流子是由于热激发产生的，因而PN结的反向电流受温度影响很大。结论：PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通，加反向电压时截止。6、PN结的击穿特性当加于PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流会急 剧增大，这种现象称为PN结击穿。PN结发生反向击穿 的机理可以分为两种。1）雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽, 少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压 大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子， 会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生 电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后， 又会撞出新的电子、空穴对。2）齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压 就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定 值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉 出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增 大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说， 对硅材料的PN结,UBR>7V时为雪崩击穿；UBR < ;5V时为齐纳击穿；UBR介于57V时，两种击穿都有。 本节小节1. 本征半导体的特性2. 两种杂质半导体的导电机理3. PN结的形成及单向导电性