电子技术基础项目化教程课件 项目一 半导体器件的认识 半导体的基础知识

1.2相关知识1.2.1半导体的基础知识总目录下页

自然界中根据导电能力分为导体、绝缘体和半导体。常用的导体一般为银、铜、铝等物体；绝缘体为橡胶、塑料、胶木等；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中属于半导体的物质很多，用来制造半导体器件的材料主要是硅（Si）、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等，硅用得最广泛。其次是锗。

将上述的半导体材料进行特殊加工，使其成为性能可控，即可用来制造构成电子电路的基本元件—半导体器件。1.2.1半导体的基础知识下页上页首页

半导体除了在导电能力方面不同于导体和绝缘体外，它还具有以下一些其他特点：当半导体受光照射或热刺激时，其导电能力将发生显著改变；掺杂性，即在纯净半导体中掺入微量杂质，其导电能力也

会显著增加。

利用半导体的这些特性可制成二极管、晶体管、场效应管；还可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，例如光电二极管、光电晶体管、光敏电阻和热敏电阻等。1.半导体的特性下页上页首页

（1）本征半导体

纯净的、结构完整具有晶体结构的半导体称为本征半导体。1）本征半

导体的原子结构和单晶体结构

常用的半导体材料硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道上有四个电子（称为价电子）。为便于讨论，采用图1-1所示的简化原子结构模型。在单晶体结构中，相邻两个原子的一对最外层电子成为共有电子，它们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。2.本征半导体和杂质半导体下页上页首页

于是，两个相邻的原子共有一对价电子，组成共价键结构。故在晶体中，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1-2所示。下页上页首页图1-1硅和锗简化原子模型图1-2

本征半导体共价键

晶体结构示意图2）本征激发和两种载流子（自由电子和空穴）

在绝对零度下，本征半导体中没有可以自由移动的电荷（载流子），因此不导电，但在一定的温度和光照下，少数价电子由于获得了足够的能量摆脱共价键的束缚而成为自由电子，这种现象叫本征激发。价电子摆脱共价键的束缚而成为自由电子后，在原来共价键中必留有一个空位，称为空穴。原子失去价电子后带正电，可等效地看成是因为有了带正电的空穴。在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现，数目相同，如图1-3所示。下页上页首页空穴很容易吸引邻近共价键中的价电子去而被添补，从而使空位发生移动，这种价电子添补空位的运动可以看成是空穴在运动，称为空穴运动。其运动方向与电子的运动方向相反。下页上页首页图1-3

本征半导体中的

自由电子和空穴

自由电子和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象叫复合。温度一定时，自由电子和空穴的产生与复合达到动态平衡自由电子和空穴的浓度一定。

本征半导体中的带负电的自由电子又叫电子载流子，带正电的空穴又叫空穴载流子，因此半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电，分别形成电子电流和空穴电流，这一点与金属导体的导电机理不同。在常温下，本征半导体中的载流子浓度很低，温度的升高，载流子浓度基本上按指数规律增加，因此，半导体中载流子的浓度对温度十分敏感。下页上页首页

（2）杂质半导体

在本征半导体中掺入微量杂质元素，可显著提高半导体的导电能力，掺杂后的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，可形成两种不同的杂质半导体，即N型半导体和P型半导体。下页上页首页1）N型半导体

在本征半导体中，掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，则原来晶体中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有五个价电子，因此它与周围四个硅(锗)原子组成共价键时，还多余一个价电子。下页上页首页这个多余的价电子受杂质原子束缚力较弱，很容易成为自由电子，并留下带正电的杂质离子，称为施主离子，半导体仍然是电中性，如图1-4（a）所示。

掺入多少个杂质原子就能产生多少个自由电子，因此自由电子的浓度大大增加，这时由本征激发产生的空穴被复合的机会增多，使空穴的浓度反而减少，显然，这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，主要靠电子导电，所以称为电子型半导体，又叫Ｎ型半导体。Ｎ型半导体中，将自由电子称为多数载流子（简称多子）；空穴称为少数载流子（简称少子）。下页上页首页2）P型半导体

在本征半导体中，掺入微量三价元素，如硼、镓、铟等，则原来晶体中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层只有三个价电子，因此它与周围四个硅(锗)原子组成共价键时因缺少一个价电子而产生一个空位，室温下这个空位极容易被邻近共价键中的价电子所填补，使杂质原子变成负离子，称为受主离子，如图1-4（b）所示。

这种掺杂使空穴的浓度大大增加，这是以空穴导电为主的半导体，所以称为空穴型半导体，又叫P型半导体，其中空穴为多子，自由电子为少子。下页上页首页

杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度，多子浓度主要取决于掺杂浓度，其值较大并且稳定，因此导电性能得到显著改善。少子浓度主要与本怔激发有关，因此对温度敏感，其大小随温度的升高而增大。3.PN结

（1）PN结的形成

在同一块半导体基片的两边分别做成P型半导体和N型半导体。由于P型半导体中空穴的浓度大、自由电子的浓度小，N型半导体中自由电子的浓度大、空穴的浓度小，即在交界面两侧的两种载流子浓度有很大的差异，因此会产生载流子从高浓度区向低浓度区的运动，这种运动称为扩散，如图1-5（a）所示。P区中的多子空穴扩散到N区，与N区中的自由电子复合而消失；N区中的多子电子向P区扩散并与P中的空穴复合而消失。结果使交界面附近载流子浓度骤减，形成了由不能移动的杂质离子构成的空间电荷区，同时建立了内建电场（简称内电场），内电场方向由N区指向P区，如图1-5（b）所示。下页上页首页

内电场将产生两个作用：一方面阻碍多子的扩散，另一方面促使两个区靠近交界面处的少子越过空间电荷区，进入对方，少子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。起始时内电场较小，扩散运动较强，漂移运动较弱，随着扩散的进行，空间电荷区增宽，内电场增大，扩散运动逐渐困难，漂移运动逐渐加强。外部条件一定时，扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，即扩散过去多少载流子必然漂移过来同样多的同类载流子，因此扩散电流等于漂移电流，这时空间电荷区的宽度一定，内电场一定，形成了所谓的PN结。下页上页首页

由于空间电荷区中载流子极少，都被消耗殆尽，所以空间电荷区又称为耗尽区。另外，从PN结内电场阻止多子继续扩散这个角度来说，空间电荷区也可称为阻挡层或势垒区。下页上页首页

（2）PN结的单向导电性

如果在PN两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。。下页上页首页1）PN结外加正向电压PN结P区接电位高端、N区接电位低端，则称PN结外接正向电压或PN结正向偏置，简称正偏；如图1-6（a）所示。PN结正偏时，外电场使PN结变窄，这时内电场减弱，扩散运动将大于漂移运动，从而形成较大的扩散电流，扩散电流通过回路形成正向电流。这时PN所处的状态称为正向导通（简称导通）。PN正向导通时，通过PN的电流（正向电流）大，而PN呈现的电阻（正向电阻）小。为了限制正向电流值，通常在回路中串接限流电阻R。下页上页首页2）PN结外加反向电压PN结P区接电位低端、N区接电位高端，则称PN结外接反向电压或PN结反向偏置，简称反偏，如图1-5（b）所示。下页上页首页PN结反偏时，外电场使空间电荷区变宽。因此，内电场增强，多子的扩散运动受阻，而少子的漂移运动加强，这时通过PN结的电流（称为反向电流）由少子的漂移电流决定。由于少子浓度很低，所以反向电流很小，一般为微安级，相对于正向