半導(dǎo)體的基本知識

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1、第1章半導(dǎo)體的基本知識1.1半導(dǎo)體及PN結(jié)半導(dǎo)體器件是20世紀(jì)中期開始發(fā)展起來的，具有體積小、重量輕、使用壽命長、可靠性高、輸入功率小和功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子電路的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體器件和電阻、電容、電感等器件連接起來，可以組成各種電子電路。顧名思義，半導(dǎo)體器件都是由半導(dǎo)體材料制成的，就必須對半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)有一定的了解。1.1.1半導(dǎo)體的基本特性在自然界中存在著許多不同的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。通常將很容易導(dǎo)電、電阻率小于Ω?cm的物質(zhì)，稱為導(dǎo)體，例如銅、鋁、銀等金屬材料；將很難導(dǎo)電、電阻

2、率大于Ω?cm的物質(zhì)，稱為絕緣體，例如塑料、橡膠、陶瓷等材料；將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、電阻率在Ω?cm～Ω?cm范圍內(nèi)的物質(zhì)，稱為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅(Si)和鍺(Ge)。用半導(dǎo)體材料制作電子元器件，不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由于其導(dǎo)電能力會隨著溫度的變化、光照或摻入雜質(zhì)的多少發(fā)生顯著的變化，這就是半導(dǎo)體不同于導(dǎo)體的特殊性質(zhì)。1、熱敏性所謂熱敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加。半導(dǎo)體的電阻率對溫度的變化十分敏感。例如純凈的鍺從20℃升高到30℃時，它的電阻率幾乎減小為原來的1／2。而一般的金屬導(dǎo)體的電阻率則變化較小，比如銅，當(dāng)溫度

3、同樣升高10℃時，它的電阻率幾乎不變。2、光敏性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性叫做光敏性。一種硫化銅薄膜在暗處其電阻為幾十兆歐姆，受光照后，電阻可以下降到幾十千歐姆，只有原來的1%。自動控制中用的光電二極管和光敏電阻，就是利用光敏特性制成的。而金屬導(dǎo)體在陽光下或在暗處其電阻率一般沒有什么變化。3、雜敏性所謂雜敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化。在半導(dǎo)體硅中，只要摻入億分之一的硼，電阻率就會下降到原來的幾萬分之—15。所以，利用這一特性，可以制造出不同性能、不向用途的半導(dǎo)體器件。而金屬導(dǎo)體即使摻入千分之一的雜質(zhì)，對其電阻率也幾乎沒有什么影響。半導(dǎo)體

4、之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理。1.1.2本征半導(dǎo)體原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成，電子帶負(fù)電并圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。電子以不同的距離在核外分層排布，距核越遠(yuǎn)，電子的能量越高，最外層的電子被稱為價電子，物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)就是由價電子的數(shù)目決定的。由于現(xiàn)在所用的半導(dǎo)體材料仍然主要是硅和鍺，所以在這里只討論硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)，圖1-1所示是硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型。硅和鍺的外層電子都是4個，它們是四價元素。隨著原子間的相互靠近，價電子相互作用并形成晶體。晶體的最終結(jié)構(gòu)是四面體，每個原子(硅或鍺)周圍都有4個臨近的(硅或鍺)原子，分布在兩

5、個原子間的價電子構(gòu)成共價鍵，圖1-2所示是硅和鍺四面體結(jié)構(gòu)。圖1-1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型圖1-2所示是硅和鍺四面體結(jié)構(gòu)硅和鍺四面體結(jié)構(gòu)一般用二維平面圖來表示，圖1-3所示是硅和鍺晶體結(jié)構(gòu)平面圖。在晶體結(jié)構(gòu)中，通過電子運(yùn)動，每一半導(dǎo)體原子最外層的4個價電子與相鄰的4個半導(dǎo)體原子的各一個價電子組成4對共價鍵，并按規(guī)律排列，圖中的原子間每條線代表一個價電子。本征半導(dǎo)體就是以上所說的一種純凈的半導(dǎo)體晶體。在熱力學(xué)溫度T＝0K(-273℃)無外部激發(fā)能量時，每個價電子都處于最低能態(tài)，價電子沒有能力脫離共價鍵的束縛．沒有能夠自由移動的帶電粒子，這時的本征半導(dǎo)體被認(rèn)為是絕緣體。當(dāng)價電子在外

6、部能量(如溫度升高、光照)作用下，一部分價電子脫離共價鍵的束縛成為自由電子，這一過程叫本征激發(fā)。自由電子是帶負(fù)電荷量的粒子，它是本征半導(dǎo)體中的一種載流子。在外電場作用下，自由電子將逆著電場方向運(yùn)動形成電流。載流子的這種運(yùn)動叫漂移，所形成的電流叫漂移電流。價電子脫離共價鍵的束縛成為自由電子后，在原來的共價健中便留下一個空位，這個空位叫空穴。空穴很容易被鄰近共價鍵中跳過來的價電子填補(bǔ)上，于是在鄰近共價鍵中又出現(xiàn)新的空穴，這個空穴再被別處共價鍵中的價電子來填補(bǔ)；這樣，在半導(dǎo)體中出現(xiàn)了價電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動。在外部能量的作用下，填補(bǔ)空穴的價電子作定向移動也形成漂移電流。但這種價電子的填補(bǔ)運(yùn)

7、動是由于空穴的產(chǎn)生引起的，而且始終是在原子的共價鍵之間進(jìn)行的，它不同于自由電子在晶體中的自由運(yùn)動。同時，價電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動無論在形式上還是在效果上都相當(dāng)于空穴在與價電子運(yùn)動相反的方向上運(yùn)動。為了區(qū)分電子的這兩種不同的運(yùn)動，把后一種運(yùn)動叫做空穴運(yùn)動，空穴被看作帶正電荷的帶電粒子，稱它為空穴載流子。圖1-4所示是半導(dǎo)體中的兩種載流子。15圖1-3硅和鍺晶體結(jié)構(gòu)平面圖圖1-4半導(dǎo)體中的兩種載流子綜上所述，本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。它們是成對出現(xiàn)的