半导体的基本知识

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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。1.1.1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Ω•cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻

2、率大于Ω•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Ω•cm～Ω•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20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1／2。而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度

3、同样升高10℃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—15。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，对其电阻率也几乎没有什么影响。半导体

4、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。1.1.2本征半导体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)原子，分布在两

5、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＝0K(-273℃)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，这时的本征半导体被认为是绝缘体。当价电子在外

6、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移动也形成漂移电流。但这种价电子的填补运

7、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。15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