半导体的基本知识.doc
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1、第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的,具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠 性高、输入功率小和功率转换效率高等优点,因而在现代电子技术中得到广泛的应用。半 导体器件是构成电子电路的基础。半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来,可以 组成各种电子电路。顾名思义,半导体器件都是由半导体材料制成的,就必须对半导体材 料的特点有一定的了解。半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质,根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体 和半导体三大类。通常将很容易导电、电阻率小于10* Q ?cm的物质,称为导体,例如铜、 铝、银等金属材料;将很难导电、电
2、阻率大于1010 Q?cm的物质,称为绝缘体,例如塑料、 橡胶、陶瓷等材料;将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10° Q?cm-1010 Q?cm 范围内的物质,称为半导体。常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。用半导体材料制作电子元器件,不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间,而是 由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化,这就是半导 体不同于导体的特殊性质。1热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。半导体的电阻率对温 度的变化十分敏感。例如纯净的锗从20C升高到30C时,它的电阻率几乎减小为原来的1 /2。而一般的金属导
3、体的电阻率则变化较小,比如铜,当温度同样升高10C时,它的电 阻率几乎不变。2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。一种硫化铜薄膜在暗 处其电阻为几十兆欧姆,受光照后,电阻可以下降到几十千欧姆,只有原来的1%自动控 制中用的光电二极管和光敏电阻,就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗 处其电阻率一般没有什么变化。3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中, 只要掺入亿分之一的硼,电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以,利用这一特性,可 以制造出不同性能、不向用途的半导体器件。而金属导体即使掺入千分之一的杂质,对其 电
4、阻率也几乎没有什么影响。半导体之所以具有上述特性,根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。原子由原子核和电子构成,原子核由带正电的质子和不带电的中子构成,电子带负电 并围绕原子核旋转。电子以不同的距离在核外分层排布,距核越远,电子的能量越高,最 外层的电子被称为价电子,物质的化学性质就是由价电子的数目决定的。由于现在所用的半导体材料仍然主要是硅和锗,所以在这里只讨论硅和锗的原子结构, 图 1-1 所示是硅和锗的原子结构简化模型。硅和锗的外层电子都是 4 个,它们是四价元素。 随着原子间的相互靠近,价电子相互作用并形成晶体。晶体的最终结构是四面体,每个原 子(硅或锗)周围都有 4个临近的(硅或锗
5、)原子,分布在两个原子间的价电子构成共价键, 图 1-2 所示是硅和锗四面体结构。图 1-1 硅和锗的原子结构简化模型 图 1-2 所示是硅和锗四面体结构硅和锗四面体结构一般用二维平面图来表示,图 1-3 所示是硅和锗晶体结构平面图。 在晶体结构中,通过电子运动,每一半导体原子最外层的 4个价电子与相邻的 4个半导体 原子的各一个价电子组成 4 对共价键,并按规律排列,图中的原子间每条线代表一个价电 子。本征半导体就是以上所说的一种纯净的半导体晶体。在热力学温度T=0 K(-273C)无 外部激发能量时,每个价电子都处于最低能态,价电子没有能力脱离共价键的束缚没有 能够自由移动的带电粒子,这时
6、的本征半导体被认为是绝缘体。当价电子在外部能量(如温度升高、光照)作用下,一部分价电子脱离共价键的束缚成 为自由电子,这一过程叫本征激发。自由电子是带负电荷量的粒子,它是本征半导体中的 一种载流子。在外电场作用下,自由电子将逆着电场方向运动形成电流。载流子的这种运 动叫漂移,所形成的电流叫漂移电流。价电子脱离共价键的束缚成为自由电子后,在原来 的共价健中便留下一个空位,这个空位叫空穴。空穴很容易被邻近共价键中跳过来的价电 子填补上,于是在邻近共价键中又出现新的空穴,这个空穴再被别处共价键中的价电子来 填补;这样,在半导体中出现了价电子填补空穴的运动。在外部能量的作用下,填补空穴 的价电子作定向
7、移动也形成漂移电流。但这种价电子的填补运动是由于空穴的产生引起的, 而且始终是在原子的共价键之间进行的,它不同于自由电子在晶体中的自由运动。同时, 价电子填补空穴的运动无论在形式上还是在效果上都相当于空穴在与价电子运动相反的方 向上运动。为了区分电子的这两种不同的运动,把后一种运动叫做空穴运动,空穴被看作 带正电荷的带电粒子,称它为空穴载流子。图 1-4 所示是半导体中的两种载流子。图 1-3 硅和锗晶体结构平面图图 1-4 半导体中的两种载流子综上所述,本征半导体中存在两种载流子:带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。 它们是成对出现的,也叫电子空穴对。由于两者电荷量相等,极性相反,所以本征半
8、导体 是电中性的。本征半导体在外界的作用下,电子形成电子电流,空穴形成空穴电流, 虽然两 种载流子的运动方向相反,但因为它们所带的电荷极性也相反,所以两种电流的实际方向 是相同的,它们的和就是半导体中的电流。另外需要指出的是,价电子在热运动中获得能量产生了电子空穴对,这种物理现象称 为激发;同时自由电子在运动中与空穴相遇,使电子、空穴对消失,这种现象称为复合。 在一定温度下,载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是一定的。本 征半导体中载流子的浓度,除了与半导体材料本身的性质有关以外,还与温度有关。而且 随着温度的升高,基本上呈指数规律增加。因此,半导体载流子浓度对温度十分敏感。
9、本征半导体的电阻率比较大,载流子浓度又小,且对温度变化敏感,因此它的用途很 有限。在本征半导体中,人为地掺入少量其他元素 ( 称杂质),可以使半导体的导电性能发 生显著的变化。利用这一特性,可以制成各种性能不同的半导体器件,这样使得它的用途 大大增加。 掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同,可分为两种: 电子型半导体和空穴型半导体。载流子以电子为主的半导体叫电子型半导体,因为电子带 负电,取英文单词“负”(Negative)的第一个字母“ N,所以电子型半导体又称为N型半 导体。载流子以空穴为主的半导体叫空穴型半导体。取英文单词“正” (Positive) 的第一 个字母“
10、 P” ,空穴型半导体又称为P型半导体。下面以硅材料为例进行讨论。1、N 型半导体在本征半导体中掺入正五价元素(如磷、砷)使每一个五价元素取代一个四价元素在晶 体中的位置,可以形成N型半导体。掺入的元素原子有5个价电子,其中4个与硅原子结 合成共价键,余下的一个不在共价键之内,掺入的五价元素原子对它的束缚力很小。因此 只需较小的能量便可激发而成为自由电子。由于掺入的五价元素原子很容易贡献出一个自 由电子,故称为“施主杂质”。掺入的五价元素原子提供一个电子(成为自由电子)后,它本 身因失去电子而成为正离子。在上述情况下,半导体中除了大量的由掺入的五价元素原子提供的自由电子外, 还存 在由本征激发
11、产生的电子空穴对,它们是少数载流子。这种杂质半导体以自由电子导电为 主,因而称为电子型半导体,或N型半导体。在N型半导体中,由于自由电子是多数,故 N型半导体中的自由电子称为多数载流子(简称多子),而空穴称为少数载流子(简称少子)。2、P 型半导体 当本征半导体中掺入正三价杂质元素(如硼、镓)时,三价元素原子为形成四对共价键使结构稳定,常吸引附近半导体原子的价电子,从而产生一个空穴和一个负离子,故这 种杂质半导体的多数载流子是空穴,因为空穴带正电,所以称为P型半导体,也称为空穴 半导体。除了多数载流子空穴外,还存在由本征激发产生的电子空穴对,可形成少数载流 子自由电子。由于所掺入的杂质元素原子
12、易于接受相邻的半导体原子的价电子成为负离子, 故称为“受主杂质”。在P型半导体中,由于空穴是多数,故P型半导体中的空穴称为多数 载流子(简称多子),而自由电子称为少数载流子(简称少子)P型半导体和N型半导体均属非本征半导体。其中多数载流子的浓度取决于掺入的杂 质元素原子的密度;少数载流子的浓度主要取决于温度;而所产生的离子,不能在外电场 作用下作漂移运动,不参与导电,不属于载流子。PN 结如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体,而另一侧掺杂成为N型半导体,则在 二者的交界处将形成一个PN结。1、PN结的形成在P型和N型半导体的交界面两侧,由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊,所以N区 中的多数载
13、流子自由电子要向P区扩散,同时P区中的多数载流空穴也要向N区扩散,并 且当电子和空穴相遇时,将发生复合而消失。如图 1-5所示。于是,在交界面两侧将分别 形成不能移动的正、负离子区,正、负离子处于晶格位置而不能移动,所以称为空间电荷 区(亦称为内电场) 。由于空间电荷区内的载流子数量极少,近似分析时可忽略不计,所以 也称其为耗尽层。空间电荷区一侧带正电,另一侧带负电,所以形成了内电场 Ein ,其方 向由N区指向P区。在内电场Ein的作用下,P区和N区中的少子会向对方漂移,同时内电 场将阻止多子向对方扩散,当扩散运动的多子数量与漂移运动的少子数量相等,两种运动 达到动态平衡的时候,空间电荷区的
14、宽度一定,PN结就形成了。一般,空间电荷区的宽度很薄,约为几微米几十微米;由于空间电荷区内几乎没有 载流子,其电阻率很高。图 1-5 PN 结的形成2、PN结的单向导电性在PN结的两端引出电极,P区的一端称为阳极,N区的一端称为阴极。在PN结的两端 外加不同极性的电压时,PN结表现出截然不同的导电性能,称为PN结的单向导电性。(1)在外加正向电压时PN结处于导通状态当外加电压使PN结的阳极电位高于阴极时,称PN结外加正向电压或PN结正向偏置 (简称正偏),如图1-6所示。图中实心点代表电子,空心圈代表空穴。此时,外加电场Eout 与内电场Ein的方向相反,其作用是增强扩散运动而削弱漂移运动。所
15、以,外电场驱使 P 区的多子进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,也使N区的多子电子进入空间电荷区抵 消一部分正空间电荷,其结果是使空间电荷区变窄,PN结呈现低电阻(一船为几百欧姆); 同时由于扩散运动占主导,形成较大的正向电流(mA级),此时PN结导通,相当于开关的 闭合状态。由于PN结导通时,其电位差只有零点几伏,且呈现低电阻,所以应该在其所在 回路中串联一个限流电阻以防止PN结因过流而损坏。图1-6 PN结加正向偏置导通时的情况(2)在外加反向电压时PN结处于截止状态当外加电压使PN结的阳极电位低于阴极时,称PN吉外加反向电压或PN结反向偏置(简 称反偏)如图1-7所示。此时,外加电场Eo
16、ut与内电场Ein的方向一致,并与内电场一起 阻止扩散运动而促进漂移运动。其结果是使空间电荷区变宽。PN结呈现高电阻(一般为几 千欧姆几百千欧姆)。同时由于漂移运动占主导,而少子由本征激发产生, 数量极少,因 而由少子形成的反向电流很小(谡),近似分析时可忽略不计。此时PN结截止,相当于 开关的断开状态。在一定温度下,当外加反向电压超过某个值 (大约零点几伏)后,反向电 流将不再随外加反向电压的增加而增大,所以又称其为反向饱和电流 Is。图1-7 PN结加反向偏置时截止由上可知,PN结正偏时,正向电阻很小,正向电流较大,呈导通状态;PN结反偏时, 反向电阻很大,反向电流非常小,呈截止状态。这就
17、是PN结的单向导电性,它是一些二极 管应用电路的基础。需要指出的是,当反向电压超过一定数值后, 反向电流将急剧增加, 这种现象称为 PN 结的反向击穿,此时PN结的单向导电性被破坏。1.2 半导体二极管在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来,就构成了半导体二极管。由P型半导体引出的电极,叫做正极(或阳极),由N型半导体引出的电极,叫做负极(或阴极)。 通常用图1-8(c)所示的符号表示。按照结构工艺的不同、二极管有点接触型和面接触型两 类。它们的管芯结构和符号如图1-8所示。点接触型二极管(一般为锗管)的PN结结面积很小(结电容小),工作频率高,适用于高 频电路和开关电路;面接触型二极
18、管(一般为硅管)的PN结结面积大(结电容大),工作频率 较低,适用于大功率整流等低频电路中。半导体二极管的种类和型号很多,我们用不同的符号来代表它们,例如 2AP9其中图1-8二极管的结构和符号(a)点接触型;(b) 面接触型 (c) 符号“2”表示二极管,“A'表示采用N型锗材料为基片,“ P”表示普通用途管(P为汉语拼音 字头),“9”为产品性能序号;又如2CZ8,其中“c”表示由N型硅材料作为基片,“z”表 示整流管。关于二极管型号的命名方法可参见附录A的有关内容。二极管既然是一个PN结,它必然具有单向导电性。其伏安特性曲线如图1-9所示。所 谓伏安特性,就是指加到二极管两端的电
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