第1章常用半导体元器件 半导体元器件是用半导体材料制成的电子元器件,随着电子技术的飞速 发展,各种新型半导体元器件层出不穷。半导体元器件是组成各种电子电路 的核心元件,学习电子技术必须首先了解半导体元器件的基本结构和工作原 理,掌握它们的特性和参数。本章从讨论半导体的导电特性和PN结的单向 导电性开始,分别介绍二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和半导 体光电器件等常用的半导体元器件。 11半导体的导电特性 1.11导体、绝缘体和半导体 自然界的物质,按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类 物质的导电能力可以用电导率σ或电阻率ρ来衡量,二者互为倒数。物质的 导电能力越强,其电导率越大,电阻率越小 导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体,如银、铜、铝、铁 等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小,可以自由移动, 成为自由电子。在外电场个用下,自由电子逆电场方向运动而形成电流。导 体的主要特征是电阻率p很小,一般在0.01~1g·mm2/m之间,例如铜的 电阻率为0.0175g·mm2/m。 绝缘体是导电能力极弱的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧,因 而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻 率大于104g2.mm2/m。 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在10~103 Ω·mm2/m之间。如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。例如,在27℃时 纯硅的电阻率为21×103g·mm2/m:纯锗的电阻率为47×103 gmm2/m。此外,半导体还具有不同于其他物质的一些特性: (1)热敏特性金属的电阻率随温度的变化很小,例如,温度每升高 ℃,铜的电阻率增加0.4%左右,即温度升高100℃,电阻率增加不到一半
第 1 章 常用半导体元器件 半导体元器件是用半导体材料制成的电子元器件，随着电子技术的飞速 发展，各种新型半导体元器件层出不穷。半导体元器件是组成各种电子电路 的核心元件，学习电子技术必须首先了解半导体元器件的基本结构和工作原 理，掌握它们的特性和参数。本章从讨论半导体的导电特性和 PN 结的单向 导电性开始，分别介绍二极管、双极型晶体管、绝缘栅场效应晶体管和半导 体光电器件等常用的半导体元器件。 1.1 半导体的导电特性 1.1.1 导体、绝缘体和半导体 自然界的物质，按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。 物质的导电能力可以用电导率σ或电阻率ρ来衡量，二者互为倒数。物质的 导电能力越强，其电导率越大，电阻率越小。 导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁 等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动， 成为自由电子。在外电场个用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。导 体的主要特征是电阻率ρ很小，一般在 0.01～1 mm / m 2 W × 之间，例如铜的 电阻率为 0.0175 mm / m 2 W × 。 绝缘体是导电能力极弱的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧，因 而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻 率大于 1014 mm / m 2 W × 。 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。其电阻率在 10～1013 mm / m 2 W × 之间。如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。例如，在 27℃ 时， 纯硅的电阻率为 21 × 108 mm / m 2 W × ；纯锗的电阻率为 47× 108 mm / m 2 W × 。此外，半导体还具有不同于其他物质的一些特性： (1) 热敏特性 金属的电阻率随温度的变化很小，例如，温度每升高 1 ℃ ，铜的电阻率增加 0.4%左右，即温度升高 100℃ ，电阻率增加不到一半
电子技术 而半导体的导电能力对温度变化反应灵敏,电阻率随温度升高而显著降低 例如,纯锗在温度从20℃升高到30℃时,其电阻率就要降低一半左右。利 用这种特性可以制成各种半导体热敏元件,用来检测温度变化 (2)光敏特性金属的电阻率不受光照的影响,但半导体的导电能力对 光照敏感,光照可使半导体的电阻率显著减小。利用这种特性可以制成各种 光敏元件。 (3)掺杂特性金属中含有少量杂质时,电阻率没有显著变化。但若在 纯净的半导体中加入微量杂质,其电阻率会发生很大变化,导电能力可增加 几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百分之一的硼后,硅的电阻率会从 21×10g·mm2/m降到4×103gmm2/m左右。利用这种特性可制成半 导体二极管,三极管,场效应晶体管及晶闸管等各种不同用途的半导体器件。 为什么半导体会有这些不同于其他物质的特点呢?这要从其原子结构去 分析。 1.1.2半导体的原子结构和共价键 在现代电子技术中,用得最多的半导体是锗和硅,它们的原子结构如图 1-1所示。锗和硅的最外层电子都是4个,因此都是四价元素。最外层电子受 原子核束缚力最小,称为价电子。物质的化学性质是由价电子数决定的,半 导体的导电性质也与价电子有关。 a)锗(Ge) b)硅(Si) c)简化模型 图1-1锗和硅的原子结构 根据原子之间排列形式的不同,可把物质分成晶体和非晶体两大类。所 谓晶体就是这些物质的原子是按一定的规则整齐地排列着,组成某种形式的 晶体点阵。现在所用的半导体材料都制成晶体。例如,将锗和硅材料提纯并 形成单晶体后,锗和硅原子就是按四角形系统组成晶体点阵,即每个原子处 于正四面体中心,而有四个其他原子位于四面体的顶点,如图1-2所示。由 于原子之间靠得很近,原来分属于每个离子的价电子就要受到相邻原子的影 响而使价电子为两个原子所共有,即形成了晶体中的共价键结构。图1-3是
电子技术 而半导体的导电能力对温度变化反应灵敏，电阻率随温度升高而显著降低。 例如，纯锗在温度从 20 ℃升高到 30℃ 时，其电阻率就要降低一半左右。利 用这种特性可以制成各种半导体热敏元件，用来检测温度变化。 (2) 光敏特性 金属的电阻率不受光照的影响，但半导体的导电能力对 光照敏感，光照可使半导体的电阻率显著减小。利用这种特性可以制成各种 光敏元件。 (3) 掺杂特性 金属中含有少量杂质时，电阻率没有显著变化。但若在 纯净的半导体中加入微量杂质，其电阻率会发生很大变化，导电能力可增加 几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百分之一的硼后，硅的电阻率会从 21×108 mm / m 2 W × 降到 4×103 mm / m 2 W × 左右。利用这种特性可制成半 导体二极管，三极管，场效应晶体管及晶闸管等各种不同用途的半导体器件。 为什么半导体会有这些不同于其他物质的特点呢？这要从其原子结构去 分析。 1.1.2 半导体的原子结构和共价键 在现代电子技术中，用得最多的半导体是锗和硅，它们的原子结构如图 1-1 所示。锗和硅的最外层电子都是 4 个，因此都是四价元素。最外层电子受 原子核束缚力最小，称为价电子。物质的化学性质是由价电子数决定的，半 导体的导电性质也与价电子有关。 a) 锗（Ge） b) 硅（Si） c) 简化模型 图 1-1 锗和硅的原子结构 根据原子之间排列形式的不同，可把物质分成晶体和非晶体两大类。所 谓晶体就是这些物质的原子是按一定的规则整齐地排列着，组成某种形式的 晶体点阵。现在所用的半导体材料都制成晶体。例如，将锗和硅材料提纯并 形成单晶体后，锗和硅原子就是按四角形系统组成晶体点阵，即每个原子处 于正四面体中心，而有四个其他原子位于四面体的顶点，如图 1-2 所示。由 于原子之间靠得很近，原来分属于每个离子的价电子就要受到相邻原子的影 响而使价电子为两个原子所共有，即形成了晶体中的共价键结构。图 1-3 是 +32 +14 +4
第1章常用半导体元器件 硅晶体中共价键结构平面示意图。 硅原子 共价键 价电子 图 1-2晶体中原子的排列方式 图1-3硅晶体中的共价键结构平面示意图 1.1.3本征半导体的导电机理 本征半导体就是完全纯净的,具有完整晶体结构的半导体。它是相对 于杂质半导体而言的。例如,纯锗和纯硅 本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚 它们不象导体中的价电子那么自由,但也不像绝缘体中的电子被束缚得那么 紧。在室温下,由于热激发,会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键 的束缚成为自由电子。这种现象叫做本征激发。当电子跑出其价键成为自由 电子后,共价键中就留下一个空位,这个空位称作空穴。在本征半导体中 自由电子和空穴总是成对出现的,有一个自由电子就有一个空穴,如图1-4 所示。挣脱共键价束缚的电子类似于导体中的自由电子,在电场的作用下将 逆电场方向运动形成电流。那么空穴是 否也能移动并参与导电呢?失去价电子 的原子成为带正电的正离子,因此可以 把空穴看成是带正电的粒子,它能够吸 自由 引邻近共健中的价电子来填补这个空 穴。这时失去了价电子的邻近共价键中 出现的空穴又可以吸引其邻近的价电子 来递补,从而又出现一个空穴。如此进 行下去,就相当于空穴在移动。空穴是 带正电的,价电子填充空穴的移动相当图14空穴和自由电子的形成 于带正电荷的粒子(空穴)的移动,也会 形成电流
第 1 章 常用半导体元器件 硅晶体中共价键结构平面示意图。 图 1-2 晶体中原子的排列方式 图 1-3 硅晶体中的共价键结构平面示意图 1.1.3 本征半导体的导电机理 本征半导体就是完全纯净的，具有完整晶体结构的半导体。它是相对 于杂质半导体而言的。例如，纯锗和纯硅。 本征半导体共价健结构中的电子受到两个原子核的吸引力而被束缚。 它们不象导体中的价电子那么自由，但也不像绝缘体中的电子被束缚得那么 紧。在室温下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键 的束缚成为自由电子。这种现象叫做本征激发。当电子跑出其价键成为自由 电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位称作空穴。在本征半导体中， 自由电子和空穴总是成对出现的，有一个自由电子就有一个空穴，如图 1-4 所示。挣脱共键价束缚的电子类似于导体中的自由电子，在电场的作用下将 逆电场方向运动形成电流。那么空穴是 否也能移动并参与导电呢？失去价电子 的原子成为带正电的正离子，因此可以 把空穴看成是带正电的粒子，它能够吸 引邻近共健中的价电子来填补这个空 穴。这时失去了价电子的邻近共价键中 出现的空穴又可以吸引其邻近的价电子 来递补，从而又出现一个空穴。如此进 行下去，就相当于空穴在移动。空穴是 带正电的，价电子填充空穴的移动相当 于带正电荷的粒子(空穴)的移动，也会 形成电流。 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 硅原子 价电子 共价键 图 1-4 空穴和自由电子的形成 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 空穴 自由 电子
电子技术 总之,在外加电场作用下,半导体中出现两部分电流:即自由电子作定 向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的空穴 电流。因此,自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子同时参与导电是半 导体导电方式的最大特点,也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在 自由电子会不会填补空穴呢?会的,自由电子填补空穴叫做复合。在 定的温度下,本征半导体中的电子空穴对的数目保持一定,也就是说,电子 和空穴对不断产生,同时又不断复合,处于一种动态平衡状态。温度愈高 载流子数目愈多,导电能力也愈强。所以,温度是影响半导体导电性能力的 一个很重要的外部因素。 1.1.4N型半导体和P型半导体 本征半导体虽有自由电子和空穴两种载流子,但由于数量极少,导电能 力很弱。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素),就会使掺杂后的半导体(称 作杂质半导体)的导电能力显著增强。因所掺入的杂质不同,杂质半导体可分 为N型和P型两大类 (1)N型半导体若在四价的硅(或锗)晶体中掺入少量五价元素磷(P), 晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置,如图1-5所示。磷原子 中的5个价电子只有4个能够和相邻的硅原子组成共价键结构,余下的一个 电子因不受共价键的束缚,容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是 自由电子数目大量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,故 称其为电子型半导体或N型半导体。N型半导体中,由于自由电子数远大于 空穴数,因此自由电子是多数载流子(简称多子),空穴是少数载流子(简称少 子)。由于磷原子是施放电子的,故称磷为施主杂质。 (2)P型半导体若在硅(或锗)的晶体中掺入三价元素硼(B),由于硼 原子只有3个价电子,因而在组成共价键结构时,因缺少一个价电子而多出 个空穴,如图1-6所示。于是半导体中空穴数目大量增加,空穴导电成为 这种半导体的主要导电方式,故称它为空穴型半导体或P型半导体。由于硼 原子是接受电子的,故称为受主杂质。在P型半导体中,空穴为多子,自由 电子为少子
电子技术 总之，在外加电场作用下，半导体中出现两部分电流：即自由电子作定 向移动而形成的电子电流和仍被原子核束缚的价电子递补空穴而形成的空穴 电流。因此，自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子同时参与导电是半 导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质区别所在。 自由电子会不会填补空穴呢？会的，自由电子填补空穴叫做复合。在一 定的温度下，本征半导体中的电子空穴对的数目保持一定，也就是说，电子 和空穴对不断产生，同时又不断复合，处于一种动态平衡状态。温度愈高， 载流子数目愈多，导电能力也愈强。所以，温度是影响半导体导电性能力的 一个很重要的外部因素。 1.1.4 N 型半导体和 P 型半导体 本征半导体虽有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能 力很弱。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)，就会使掺杂后的半导体(称 作杂质半导体)的导电能力显著增强。因所掺入的杂质不同，杂质半导体可分 为 N 型和 P 型两大类。 （1）N 型半导体 若在四价的硅(或锗)晶体中掺入少量五价元素磷(P)， 晶体点阵中磷原子就会占据某些硅原子原来的位置，如图 1-5 所示。磷原子 中的 5 个价电子只有 4 个能够和相邻的硅原子组成共价键结构，余下的一个 电子因不受共价键的束缚，容易挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子。于是 自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，故 称其为电子型半导体或 N 型半导体。N 型半导体中，由于自由电子数远大于 空穴数，因此自由电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少 子)。由于磷原子是施放电子的，故称磷为施主杂质。 （2）P 型半导体 若在硅(或锗)的晶体中掺入三价元素硼（B），由于硼 原子只有 3 个价电子，因而在组成共价键结构时，因缺少一个价电子而多出 一个空穴，如图 1-6 所示。于是半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为 这种半导体的主要导电方式，故称它为空穴型半导体或 P 型半导体。由于硼 原子是接受电子的，故称为受主杂质。在 P 型半导体中，空穴为多子，自由 电子为少子
第1章常用半导体元器件 图1-5硅晶体中掺入磷元素 图1-6硅晶体中掺入硼元素 不论是N型半导体还是P型半导体,尽管都有一种载流子占多数,但是 整个晶体仍是电中性的 【练习与思考】 1.1电子导电和空穴导电有什么区别?空穴电流是不是由自由电子递补空 穴形成的? 1.1.2N型半导体中的自由电子多于空穴,P型半导体中的空穴多于自由电 子,是否N型半导体带负电,而P型半导体带正电 1.2PN结及其单向导电性 虽然P型和N型半导体的导电能力比本征半导体增强了许多,但并不能 直接用来制造半导体器件。通常采用一定的掺杂工艺,在一块晶片的两边掺 入不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体,在它们的交界面处就会 形成PN结,它是构成各种半导体器件的基础。那么PN结是怎样形成的,有 何特性呢? 121PN结的形成 掺杂工艺完成后,一块半导体晶片中形成P型和N型的两个异型区。P 区内空穴很多而电子很少,N区内电子很多而空穴很少,多数载流子由于浓 度的差异而产生扩散运动。空穴要从浓度高的P区向N区扩散,并与N区的 电子复合;电子要从浓度高的N区向P区扩散,并与P区的空穴复合。扩散 使得P区和N区分别因失去空穴和电子而在交界面两侧留下带负电和正电的 离子,形成了一个空间电荷区,如图1-7所示。这个空间电荷区就是PN结
第 1 章 常用半导体元器件 图 1-5 硅晶体中掺入磷元素 图 1-6 硅晶体中掺入硼元素 不论是 N 型半导体还是 P 型半导体，尽管都有一种载流子占多数，但是 整个晶体仍是电中性的。 【练习与思考】 1.1.1 电子导电和空穴导电有什么区别？空穴电流是不是由自由电子递补空 穴形成的？ 1.1.2 N 型半导体中的自由电子多于空穴，P 型半导体中的空穴多于自由电 子，是否 N 型半导体带负电，而 P 型半导体带正电？ 1.2 PN 结及其单向导电性 虽然 P 型和 N 型半导体的导电能力比本征半导体增强了许多，但并不能 直接用来制造半导体器件。通常采用一定的掺杂工艺，在一块晶片的两边掺 入不同的杂质，分别形成 P 型半导体和 N 型半导体，在它们的交界面处就会 形成 PN 结，它是构成各种半导体器件的基础。那么 PN 结是怎样形成的，有 何特性呢? 1.2.1 PN 结的形成 掺杂工艺完成后，一块半导体晶片中形成 P 型和 N 型的两个异型区。P 区内空穴很多而电子很少，N 区内电子很多而空穴很少，多数载流子由于浓 度的差异而产生扩散运动。空穴要从浓度高的 P 区向 N 区扩散，并与 N 区的 电子复合；电子要从浓度高的 N 区向 P 区扩散，并与 P 区的空穴复合。扩散 使得 P 区和 N 区分别因失去空穴和电子而在交界面两侧留下带负电和正电的 离子，形成了一个空间电荷区，如图 1-7 所示。这个空间电荷区就是 PN 结。 Si Si Si P Si Si Si Si Si 自由 电子 施主 杂质 Si Si Si B Si Si Si Si Si 空穴 受主 杂质