半导体器件基础知识

半导体器件基础知识1.1半导体器件的基础知识1.1.1半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、硼、砷、铟等，他们的电阻率在10-3～107欧.厘米。半导体材料的广泛应用，并不是因为它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，而是它们具有一些重要特性：1）当半导体受到外界光和热的激发（本征激发）时，其导电能力发生显著的变化；半导体的这些特点取决于这类物质的化学特性。2）若在半导体中加入微量的杂质（不同的半导体）后，其导电能力显著的增加；在这里，我们的目的不是研究半导体材料，而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术语，如多数、少数载流子，P型半导体、N型半导体，PN结，载流子的扩散与漂移运动，PN结的正反偏置，PN结的导通与截止等。绝对纯净的硅、锗、磷、砷、硼、铟叫做本征半导体。1.1.2本征半导体1)半导体的化合价物质的化学和物理性质都与物质的价电子数有密切的关系，半导体材料大都是三、四、五价元素。硅、锗（四价）、磷、砷（五价）、硼、铟（三价）。2)化学键物质化学键分离子键、共价键和金属键三种，半导体物质的化学键都属于共价键的晶体结构，同时它们的键长一般很长，故原子核对价电子的束缚力不象绝缘物质那样紧，当价电子获得一定的能量后，就容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+41.化学特性①共有价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子；可见半导体中的载流子有两种，即自由电子（●）和空穴(○)。本征半导体的载流子是由本征激发而产生的，其自由电子与空穴是成对出现，即有一个自由电子，就一定有一个空穴，故称电子空穴对。由于空穴带正电，容易吸引邻近的价电子来填补，从而形成了共有价电子的运动，这种运动无论从效果上，还是从现象上，都好象一个带正电的空穴在移动，它不同于自由电子的运动，故称之为空穴运动。物质的导电是靠物体内带电粒子的移动而实现的，这种粒子称作载流子。金属中的载流子是自由电子。2.半导体的导电机构1）载流子的概念②由于共有价电子的离去，使共价键结构上留下一个空位，电子技术中称之为“空穴”。此时该共价键原子的中性被破坏，成为带正电的离子，电子技术中称之为产生了带正电的“空穴”。2）半导体的载流子当半导体受到本征激发时，将出现如下物化过程和现象：本征半导体中的自由电子与空穴的总数是相等的,其浓度取决于本征激发的强度。而施主杂质因失去一个价电子成为正离子。而在这种半导体中载流子主要是自由电子，自由电子带负电荷（Negative），故命名为N型半导体。于是用这样的示意图表示。参杂半导体中电子与空穴的数目就不再是相等了，将要出现电子数大于空穴数或空穴数大于电子数。把数目多的载流子称多数载流子，数目少的载流子称少数载流子。是自由电子为多数还是空穴为多数，取决于掺杂物质。少数载流子的浓度取决本征激发。1.1.3杂质半导体本征半导体中有载流子，但数量很少，故没有实用价值，须对本征半导体进行改造，以增加载流子的数量。其有效的措施是在四价元素中掺入微量三价或五价元素（杂质），这种掺杂后得到的半导体称杂质半导体。（人们常称的半导体，实际是指的杂质半导体，而不是本征半导体）由于掺入的杂质不同，杂质半导体分为N型和P型两大类。在介绍N型和P型的含义之前先介绍有关术语。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5施主杂质N型1.N型半导体

P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子为自由电子受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷（Positive）故命名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。2.P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3受主杂质P型在浓度差的作用下，载流子从高浓度方向低浓度方扩散。●由N→P○由P→NNP1.1.4PN结

2）交界处的物理过程1）结构示意图1.PN结的形成在交界面两边自由电子和空穴出现很大的浓度差，在浓度差的作用下，将产生一系列的物理过程。①多数载流子的扩散运动

实用中是通过工艺的手段把P型和N型半导体有机的结合起来，形成一个所谓的PN结，它是现代电子技术迅速发展的物质基础。它是构成各种电子器件的最基本的积木块。

P型和N型半导体单独使用，仅起到电阻元件的作用，所以单个P型和N型半导体其使用价值仍然不大。当少数载流子越过交界到达彼区时，与彼区的异性离子中和，结果使内电场减弱，即阻挡层变薄，阻挡层变薄有利于扩散运动的进行。载流子扩散到彼区，与那里的异性载流子中和而消失，而在交界处两边附近留下不能移动的离子。由此可见，载流子的扩散与漂移运动是一对相伴随而存在的一对矛盾。在一定的条件下二者达到动态平衡。由于正负离子不能移动，空间电荷建立了一个电场，即内电场。这个仅有正负离子的区域称为空间电荷区。区域里没有载流子，故又称为耗尽层，该区域很薄，所谓PN结就是指的耗尽层。内电场有阻止载流子的扩散运动性质。从这个意义上讲，空间电荷区又叫做阻挡层。内电场对多数载流子的扩散运动起阻碍作用，但对少数载流子起推动作用，使之向彼区运动。可见少数载流子要作漂移运动。所谓漂移运动，载流子在电场作用下的运动。③内电场形成及阻碍载流子扩散运动②载流子中和（耗尽）NP空间电荷区内电场④（少数）载流子的漂移运动NP内电场R2.PN结的单向导电性1）PN结的电阻在实用中，为了改变、控制PN结的厚度，以改变和控制电阻的大小。常在PN结上加上一定的外加电压，此称为给PN结设置偏置电压，简称偏置。由于空间电荷区中的载流子极少，故PN结的电阻很大，与P区和N区的体电阻相比要大的多，若在两端加电压，可认为其电压全部降落在PN结上。2）导通的含义PN结电阻的大小与空间电荷区的厚度有关，厚度越厚电阻越大，反之越小。所谓PN结的导通，是指PN结呈现低电阻值，反之，称为截止。3）PN结的偏置外电场外电场正向偏置反向偏置3.PN结的伏安特性(1)伏安特性PN结只有在正偏时才能导通的特性称PN结的单向导电特性。但要明确，截止并不意味电流为零，此时有少数载流子的漂移而形成很小电流，此电流称反向饱和电流。用Is表示。ui

该曲线可以用下式表示PN结正偏时，当PN结的伏安特性表达式可简化为uDiD(2)技术参数死区反向正向URWMIoM导通区硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V锗0.1V硅0.5V正向特性：IS死区电压导通电压反向饱和电流Is反向特性：饱和区4.PN结的击穿特性UBR齐纳击穿雪崩击穿热击穿（破坏性）反向饱和电流Is反向特性：击穿电压U（BR）

电击穿（可逆）反向击穿击穿区ui死区反向正向URWMI0M导通区IS饱和区5.PN结的电容效应

Cj=CB+CD

PN结的电容效应，可从两个方面来理解：PN结是一个空间电荷区，相当于一个充电的平板电容器，此电容称势垒电容，用CB表示，当PN结加正向偏置电压时，多数载流子要进行扩散运动，于是将引起电荷的变化，此等效电容