第一章常用半导体器件 本章讨论的问题 ●为什么采用半导体材料制作电子器件? 空穴是一种载流子吗?空穴导电时电子运动吗? 什么是N型半导体?什么是P型半导体?当两种半导体制作在一起时 会产生什么现象? ●FN鲒上所加端电压与电流符合欧姆定律吗?它为什么具有单向导电 性?在PN结加反向电压时果真没有电流吗? ●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 式来控制渦极电流的?为什么它们都可以用于放大? 1.1半导体基础知识 半导体器件是构成电子电路的基本元件,它们所用的材料是经过特殊加工 且性能可控的半导体材料。 1.1.1本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 、半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素,它们的最外层电 子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子,在外电场的作用下产生定向移动形成 电流。高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原 子核束缚力很强,很难成为自由电子,所以导电性极差,成为绝缘体。常用的半 导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容
2 第一章常用半导体件 易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因而其导电性 介于二者之间。 在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素时导电性能具有 可控性;并且,在光照和热辐射条件下,其导电性还有明显的变化;这些特殊的性 质就决定了半导体可以制成各种电子器件。 二、本征半导体的晶体结构 将纯净的半导体经过一定的工艺过程 制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原 共价键 子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。 由于相邻原子间的距离很小,因此,相邻的三:想 两个原子的一对最外层电子(即价电子)不 但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出 现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电·X 子,这样的组合称为共价键结构,如图1.1.1 所示。图中标有“+4”的圆圈表示除价电子 外的正离子。 图1.1.1本征半导体结构示意图 三、本征半导体中的两种载流子 晶体中的共价键具有很强的结合力,因此,在常温下,仅有极少数的价电子 由于热运动(热激发)获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 与此同时,在共价键中留下一个空位置,称 为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电, 或者说空穴带正电。在本征半导体中,自由 空穴 电子与空穴是成对出现的,即自由电子与空 穴数目相等,如图1.1.2所示。这样,若在 Q:Q:Q:本征半导体两端外加一电场,则一方而白由 电子将产生定向移动,形成电子电流;另 .方面由于空穴的存在,价电子将按一定的方 向依次填补空穴,也就是说空穴也产生定 向移动,形成空穴电流。由于自由电子和 空穴所带电荷极性不同,所以它们的运动 图1.1.2本征半导体中的 方向相反,本征半导体中的电流是两个电 自由电子和空穴 流之和。 运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子,即自由电子导电;
1.1半导体基础知识 3 而本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电,这是半导体导电的 特殊性质。 四、本征半导体中载流子的浓度 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子 在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为 复合。在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电 子与空穴对数目相等故达到动态平衡。换言之,在一定温度下,本征半导体中 载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。当环境温度升高时, 热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也随之增多,即载流子的浓 度开高,因而必然使得导电性能增强;反之,若环境温度降低,则载流子的浓度降 低,因而导电性能变差,可见,本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。理 论分析表明,本征半导体载流子的浓度为 户,=K1 2E(2T (1.1.1) 式中,n和P,分别表示自由电子与空穴的浓度(cm3),T为热力学温度,k为玻 耳兹曼常数(863×105eVK),EC为热力学零度时破坏共价键所需的能量,又称 禁带宽度(硅为1.21eV,锗为0785eV),K1是与半导体材料载流子有效质量、有 效能级密度有关的常量(硅为387×106cm-3·K3,锗为176× 10°cm3·K-M2)。式(1.11)表明,当T=0K时,自由电子与空穴的浓度均为零, 本征半导体成为绝缘体在一定范围内,当温度升高时本征半导体载流子的浓度 近似按指数曲线升高。在常温下,即T=300K时,硅材料的本征载流子浓度n p=1.43×10°cm3,材料的本征载流子浓度n,=p1=238×103cm3 应当指出本征半导体的导电性能很差,且与环境温度密切相关。半导体材 料性能对温度的这种敏感性,既可以用来制作热敏和光敏器件,又是造成半导体 器件温度稳定性差的原因。 1.1.2杂质半导体 通过扩散工艺,在本征半导体中掺人少量合适的杂质元素,便可得到杂质半 导体。按掺入的杂质元素不同,可形成N型半导体和P型半导体;控制掺入杂 质元素的浓度就可控制杂质半导体的导电性能。 、N型半导体 在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷)使之取代晶格中硅原子的位置,就
4 第一章常用半导体器件 形成了N型半导体0。由于杂质原子的最外层有5个价电子,所以除了与周围硅 原子形成共价键外,还多出一个电子,如图11.3所示。多出的电子不受共价键 的束缚,只需获得很少的能量就成为自由电子。在常温下,由于热激发,就可使 它们成为自由电子。而杂质原子因在晶格上,且又缺少电予,故变为不能移动的 正离子N型半导体中,自由电子的浓度大于空穴的浓度,故称自由电子为多数 载流子,空穴为少数载流子,简称前者为多子,后者为少子。由于杂质原子可以 提供电子,故称之为施主原子。N型半导体主要靠自由电子导电,掺入的杂质越 多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。 装穴 空位 施主 受主 原子 3919839:8:9 图1.1.3N型半导体 图1.1.4P型半导体 二、P型半导体 在纯净的硅晶体中掺人三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就 形成P型半导体。由于杂质原子的最外层有3个价电子,所以当它们与周围的 硅原子形成共价键时,就产生了一个“空位”(空位为电中性)当硅原子外层电子 由于热运动填补此空位时杂质原子成为不可移动的负离子,同时,在硅原子的 共价键中产生一个空穴,如图1.14所示。因而P型半导体中,空穴为多子,自 由电子为少子,主要靠空穴导电。与N型半导体相同,掺人的杂质越多,多子 (空穴)的浓度就越高,导电性能也就越强。因杂质原子中的空位吸收电子,故称 之为受主原于。 从以上分析可知,由于掺入的杂质使多子的数目大大增加,从而使多子与少 N为 Negative(负)的字头,由于电子带负电,故得此名 P为 Positive(正)的字头,由于空穴带正电,故得此名
1.1半导体基础知识 子复合的机会大大增多。因此,对于杂质半导体,多子的浓度愈高,少子的浓度 就愈低。可以认为,多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度,因而它受温度的影 响很小;面少子是本征激发形成的,所以尽管其浓度很低,却对温度非常敏感,这 将影响半导体器件的性能。 1.1.3PN结 采用不同的摻杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上 在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性 一、PN结的形成 物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动,这种由于浓度差而产生的 运动称为扩散运动。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时,在它们的交 界面,两种载流子的浓度差很大,因而P 空穴负高子正离子自由电子 区的空穴必然向N区扩散,与此同时,N 区的自由电子也必然向P区扩散如图⊙⊙3可6知 11a)所示。图中P区标有负号的小|ee°e⊙ee 圆圈表示除空穴外的负离子(即受主原|⊙。。9a回白白 子),N区标有正号的小圆圈表示除自由 N区 电子外的正离子(即施主原子)。由于扩 空间电荷区 散到P区的自由电子与空穴复合,而扩 散到N区的空穴与自由电子复合,所以| oo oooTOOT'@ 在交界面附近多子的浓度下降P区出现6⊙⊙d 负离子区N区出现正离子区,它们是不 tololo回 能移动的,称为空间电荷区,从而形成内 N区 电场。随着扩散运动的进行,空间电荷区 加宽内电场增强,其方向由N区指向P 区,正好阻止扩散运动的进行。 (b) 在电场力作用下,载流子的运动称 为藻移运动。当空间电荷区形成后,在 图1.1.5PN结的形成 内电场作用下,少子产生漂移运动,空穴(a)P区与N区中载流子的扩散运动 从N区向P区运动,而自由电子从P区 (b)平衡状态下的PN结 向N区运动。在无外电场和其它激发作用下,参与扩散运动的多子数目等于参 与漂移运动的少子数日,从而达到动态平衡,形成N结,如图1.1.5(b)所示。 此时空间电荷区具有一定的宽度,电位差为U,电流为零。空间电荷区内