第六章半导体

1、第六章半导体第六章半导体 了解本征半导体、P型和N型半导体的特征；了解PN结的形成过程；熟悉二极管的伏安特性及其种类、用途；深刻理解晶体管的电流放大原理，掌握晶体管的输入和输出特性；了解场效应管的结构组成及工作原理，初步掌握工程技术人员必需具备的分析电子电路的基本理论、基本知识和基本技能。6.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体三大类。金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-2210-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9102s/cm量级。 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却

2、极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：1. 半导体的独特性能半导体受光照后，其导电能力大大增强；受温度的影响，半导体导电能力变化很大；在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其所决定的。2. 本征半导体和杂质半导体(1)本征半导体 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，即每个原子最外层电子数为4个。+Si(硅原子)硅原子和锗原子的简化模型图 天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。 本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半

3、导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，构成。444444444实际上半导体的实际上半导体的晶格结构是三维晶格结构是三维的。的。共价键结构共价键结构444444444 受光照或温度上升受光照或温度上升影响，共价键中价电影响，共价键中价电子的热运动加剧，一子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间核的束缚游离到空间成为自由电子。成为自由电子。 由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为。 本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

4、由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。 444444444受光照或温度受光照或温度上升影响，共上升影响，共价键中其它一价键中其它一些价电子直接些价电子直接跳进空穴，使跳进空穴，使失电子的原子失电子的原子重新恢复电中重新恢复电中性。性。 价电子填补空穴的现象称为。 参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。 半导体的导电机理

5、与金属导体导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。444444444 自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理(2)杂质半导体 本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。五

6、价元素磷(P)444444444P 在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。444444444三价元素硼(B)B 一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。 掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。 在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，而不能移动的离子带负电。 不论是N型半导体还是P型半导体，其

7、中的多子和少子的移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半导体晶体仍然呈电中性。一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。 何谓杂质半导体中的多子何谓杂质半导体中的多子和少子和少子 ？N N型半导体中的多型半导体中的多子是什么？少子是什么？子是什么？少子是什么？3. PN结及其形成过程PN结的形成结的形成 杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。在一块晶片的两端分别注入三价在一块晶片的两端分别注入三价

8、元素硼和五价元素磷元素硼和五价元素磷 + + + + + + + + + + + + + + + +空间电荷区内电场动画演示 PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界面上N区失去的电子，同时， N区的少子空穴向P区漂移，补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定，即PN结形成。 PN结内部载流子基本为零，因此导

9、电率很低，相当于介质。但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。4. PN结的单向导电性 PN结的单向导电性 PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。 由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。反向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对反向电流呈高阻状态，也就是所谓的作用。 值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。 PN结中反向电流的讨论2. 半导体受温度和光照影响，产生本征激发现象而出现电子、空穴对；同时，其它价电子又不断地 “转移跳进”本征激发出现的空穴中，产生价电子与空穴的复合。在一定温度下，电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下，半导体中的载流子浓度一定，即反向电流的数值基本不发生变化。1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。 4. PN结的单向