第1章常用半导体器件 本章讨论的问题:1为什么采用半导体材料制作电子器件?2空穴是种裁流子吗?空穴 导电时电子运动吗?3什么是N型半导体?什么是P型半导体?当二种半导体制作在一起时会 产生什么现象?4PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗?它为什么具有单向性?在PN结 中另反向电压时真的没有电流吗? 5晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的?场效应管是通过什么方式来控制漏极电流 的?为什么它们都可以用于放大 1.1半导体基础知识 根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为10~10°gcm 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 1.1.1本征半导体 本征半导体一一化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99999,常称为“九个9”。它在物 理结构上呈单晶体形态 (1)本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素,在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的 四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有,并为它们所束缚, 在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图。 (a)硅晶体的空间排列 (b)共价键结构平面示意图 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图
1 第 1 章 常用半导体器件 本章讨论的问题：1.为什么采用半导体材料制作电子器件？2.空穴是一种载流子吗？空穴 导电时电子运动吗？3.什么是 N型半导体？什么是 P型半导体？当二种半导体制作在一起时会 产生什么现象？4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结 中另反向电压时真的没有电流吗？ 5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效 应管是通过什么方式来控制漏极电流 的？为什么它 们都可以用于放大？ 1.1 半导体基础知识 根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为10-3～10-9 •cm。 典型的半导体有硅 Si 和锗 Ge 以及砷化镓 GaAs 等。 1.1.1 本征半导体 本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物 理结构上呈单晶体形态。 (1) 本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的 四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚， 在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图。 (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图
(2)电子空穴对 当导体处于热力学温度0K时,导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时 价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。这 现象称为本征激发(也称热激发) 自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,原子的电中性被破坏 呈现出正电性,其正电量与电子的负电量相等,人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为电子空穴对。游离的部分 自由电子也可能回到空穴中去,称为复合,如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达 到动态平衡。 激发 空穴 电子 复合 本征激发和复合的过程(动画1-1) (3)空穴的移动 自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流,它们的方 向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。 ::: ::: 空穴在晶格中的移动(动画1-2) 1.2杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可使半导体的导电性发生显著变化。掺 入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体
2 (2) 电子空穴对 当导体处于热力学温度 0K 时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时， 价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一 现象称为本征激发（也称热激发）。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏， 呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分 自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达 到动态平衡。 本征激发和复合的过程（动画1-1） (3) 空穴的移动 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方 向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。 空穴在晶格中的移动(动画1-2) 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺 入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体
(1)N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,可形成N型半导体,也称电子型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键 而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是 多数载流子,它主要由杂质原子提供;空穴是少数载流子,由热激发形成 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为施 主杂质。N型半导体的结构示意图如图所示 共价键 多子。 硅原子核 电子 d N型半导体的结构示意图 (2)P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼、镓、铟等形成了P型半导体,也称为空穴 型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时,缺少一个价电子而在共价键中留下一空 穴。P型半导体中空穴是多数载流子,主要由掺杂形成:电子是少数载流子,由热激发形 空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型 半导体的结构示意图如图所示。 共价键 多子 硅原子核 穴 P型半导体的结构示意图
3 (1) N 型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键， 而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在 N 型半导体中自由电子是 多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施 主杂质。N型半导体的结构示意图如图所示。 N 型半导体的结构示意图 (2) P 型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了 P 型半导体，也称为空穴 型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空 穴。P 型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形 成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P 型 半导体的结构示意图如图所示。 P 型半导体的结构示意图
(3)杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响,一些典型的数据如下 7=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度为 n=D=1.4×100/cm3 本征硅的原子浓度 4.96×102/cm3 掺杂后,N型半导体中的自由电子浓度为:n=5×1016/cm3 1.1.3PN结 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 多子的扩散运动→由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面, 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。 PN结形成的过程可参阅图 LP区 ⊙。 区 N区 PN结的形成过程(动画1-3) 3.1PN结的单向导电性 N结具有单向导电性,若外加电压使电流从P区流到N区,ⅨN结呈低阻性,所以电 流大;反之是高阻性,电流小。 如果外加电压使 PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压,简称正偏 PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压,简称反偏
4 （3） 杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下: T=300K 室温下,本征硅的电子和空穴浓度为: n = p =1.4×1010/cm3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022 /cm3 掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度为： n=5×1016 /cm3 1.1.3 PN 结 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成 N 型半导体和 P 型半导体。 此时将在 N 型半导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动→由杂质离子形成空间电荷区 ↓ 空间电荷区形成形成内电场 ↓ ↓ 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P 型半导体和 N 型半导体结合面， 离子薄层形成的空间电荷区称为 PN 结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 PN 结形成的过程可参阅图。 PN 结的形成过程（动画 1-3） 1.1.3.1 PN 结的单向导电性 PN 结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区，PN 结呈低阻性，所以电 流大；反之是高阻性，电流小。 如果外加电压使： PN 结 P 区的电位高于 N 区的电位称为加正向电压，简称正偏； PN 结 P 区的电位低于 N 区的电位称为加反向电压，简称反偏
(1)PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图所示 外加的正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电 场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流, 可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况(动画1-4) (2)PN结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况如图所示 外加的反向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相同,加强了内 电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内 电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。 在一定的温度条件下,由本征激发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流 是恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,这个电流也称为反向饱和电流 PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流:PN结加反向电压时, 呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。 PN结加反向电压时的导电情况(动画1-4) 1.3.2PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB,二是扩散电容
5 (1) PN 结加正向电压时的导电情况 PN 结加正向电压时的导电情况如图所示。 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电 场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流， 可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 PN 结加正向电压时的导电情况(动画 1-4) (2) PN 结加反向电压时的导电情况 PN 结加反向电压时的导电情况如图所示。 外加的反向电压有一部分降落在 PN 结区，方向与 PN 结内电场方向相同，加强了内 电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时 PN 结区的少子在内 电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN 结呈现高阻性。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 PN 结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN 结加反向电压时， 呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN 结具有单向导电性。 PN 结加反向电压时的导电情况（动画 1-4） 1.1.3.2 PN 结的电容效应 PN 结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容 CB ，二是扩散电容 CD