§2.1 半导体基础知识习题与答案--2018-4-10

1、第2章2.1半导体基础知识习题与参考答案6*3、半导体材料硅和锗的原子结构w辞.（Ge）忖原于結构简化图、国L.1莊和辂曝子细构示盘團丿单晶硅【课程考核内容】1、半导体类型及其导电的特点，2.1半导体基础知识2.1.1.导体、绝缘体和半导体1、自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类:导体,绝缘体,半导体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁等金属等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体:有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半

2、导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硅（Si）、锗（Ge）,均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。2、半导体导电性能有如下两个显著特点:（1）参杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。（2）敏感性：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。物质的导电性能之所以不同，根本原因在于构成各种物质的原子结构不同，原子和原子间的结合方式也各不相同。图7.1.1（a）、（b）所示为常见的半导体材料硅和锗的原子结构示意图，它们分别有14个和32个电子，但最外层均为4个价电子

3、。半导体一一硅（Si）、锗（Ge）,均为四价元2.1.2半导体类型及其导电性能1、半导体类型：半导体材料可按化学组成，可分为元素半导体（锗Ge，硅Si等）和化合物半导体（砷化镓GaAs）；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型可分为N型半导体和P型半导体:按其载流子类型可分为电子型半导体和离子型半导体。*2、单晶体和多晶体日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类,非晶体物质的内部原子排列没有一定的规律，当断裂时断口也是随机的，如塑料和玻璃等。而称之为晶体的物质，外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐的排列起来，所以破裂时也按照一

4、定的平面断开，如食盐、水晶等。晶体（crystal）：晶体有三个特征：晶体有一定的几何外形；晶体有固定的熔点；晶体有各向异性的特点。多晶体是由很多排列方式相同但位向不一致的小晶粒组成。例如：常用的金属，铜和铁。多晶体具有前两项特征，但具有各向同性的特点。单晶体是原子排列规律相同，晶格位相一致的晶体。例如：单晶硅，晶刚石，如图所示。天然晶刚石素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。只有单晶结构的半导体才适合制作半导体器件。3.本征半导体此当共价键中出现一个空穴后，与该空穴相邻的共价键上的电子就非常容易跑到这个空位置中，使不含任何杂质的单晶半导体，称为本征半导体。本征半导体的

5、共价键结构如图1所示。在常温得该相邻的共价键上形成一个空穴，其效果好象空穴从原来的位置移动到了相邻的共价键上去一样，下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱共价键和原子核对它的束缚，从即产生过程。然后新的空穴又会被附近的共价键上的价电子填充，即复合过程（电子空穴对消失的而成为自由电子（以后简称电子）,同时在原来的位置中留下一个空位，称为空穴。本征半导体受热过程），如此不断地重复，电子和空穴在半导体中的移动会产生电流。本征半导体在常温下激发出或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征滋发，如图2所示。的电子-空穴对是很少的，所以它的导电能力相当弱。在外电场的作用之下,子电

6、流和空穴电流，流过半导体的总电流即为这两种电流之和。空穴电流。E电境冇|iJ共价键结构本征激发本征邀发后，产生一个自由电子的同时,也就产生一个空穴，在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为电子-空穴对。在电场作用下能作定向运动的带电粒子所以把它们统称为本征半导体中的自由电子和空穴都可以携带电荷作定向移动，即形成电电子在外电场的作用下逆电场运动，形成了电子电流，带正电的空穴将顺电场而运动，形成了载流子。所以，热激发后本征半导体将产生两种载流子，电子和空穴。如果该半导体受到外加电场的作用，半导体中的电子载流子就会因电场力的作用而作定向运动，从而形成电流。【注释】：载流子，电流载体，称载流

7、子。在物理学中，载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴引）被视为载流子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。在电场作用下能作定向运动的带电粒子。如半导体中的自由电子与空穴，导体中的自由电子，电解液中的正、负离子，放电气体中的离子等。*【产生电流的过程:】电荷的定向移动形成电流。通常，一个原子核所带的正电荷与原子核外层电子所带的负电荷在数量上是相等的，即整个原子呈现电中性，不带电。当受热激发使共价键上的电子被激发成了自由电子后，就不受原来原子核的束缚。跑掉了一个电子，在原来的位置中留下一个空穴，由于出现了空穴，原

8、来显中性的硅或锗原子就变成了带正电的离子，空穴可看成带正电的载流子。在硅半导体原子结构中的电子，不管是受哪个原子核的束缚，它所具有的能级都是相同的。因【注释】离子是指原子由于自身或外界的作用而失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个或2个（氦原子）或没有电子（四中子）的稳定结构。这一过程称为电离。电离过程所需或放出的能量称为电离能由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了，保持一个定值。本征半导体在常温下激发出的电子-空穴对是很少的，所以它的导电能力相当弱。但是，所激发出的电子-空穴对数目将随着温度（外界所给能

9、量）的变化而变化，因此在外加电压一定的情况下，所形成的电流也将随着温度的变化而变化。载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加，电导率随之增大。常温下，本征半导体所能提供的载流子数目很少，如何提高它们的导电性能呢？在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可以使半导体的导电性能大大提高。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。在杂质半导体中，因掺入元素的不同，可分为两大类即电子半导体N型半导体）和空穴半导体（P型半导体）。填空练习】1、只有单晶结构的半导体才适合制作半导体器件。2、完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。3、若T，将有少数价电子克服共价键的

10、束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位一一空穴。空穴可看成带正电的载流子。4、本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征激发。5、载流子：在电场作用下能作定向运动的带电粒子所以把它们统称为载流子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。6、本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对。7、在外电场的作用之下，本征半导体中的自由电子和空穴都可以携带电荷作定向移动，即形成电子电流和空穴电流。4.N型半导体(Negative)N型半导体符号为Negative负的含义，由于电子带负电，故得此名。在本征半导体硅或锗的晶体内掺入微量的五价元素杂质,如磷，锑等，就形成了N型

11、半导体。由于所掺杂质其数量甚微，整体晶体结构基本不变。但晶体点阵中某些位置的硅原子将被磷原子所取代。磷原子最外层有5个价电子，它以4个价电子与相邻硅原子组成共价键后，还多余1个价电子。这个价电子不受共价键的束缚，通常在常温下即可脱离磷原子而成为自由电子，如图7.1.4所示。能给出多余价电子的杂质称为施主杂质N型半导体仍然是虫性的。磷离子不能移动，不能参与导电。掺入1个磷原子则得到1个正离子和自由电子。由此可见，N型半导体中自由电子数目可以人为控制，掺入微量磷元素就可以使半导体的自由电子数猛增，但却不增加空穴数量。这点与本征半导体产生电子不同，有1个电子必有一个空穴。相反由于自由电子增多，还增加

12、了空穴被复合的机会，所以使空穴数量反而减少。因此，N型半导体中自由电子占绝大多数，自由电子为其多数载流子,空穴则为少数载流子N型半导体主要靠带负电的自由电子进行导电。5P型半导体P型半导体为Positive正的含义，由于空穴带正电，故得此名。在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。硼原子最外层有3个价电子，掺入后，晶体点阵中某些位置为硼原子所取代，它以3个价电子与周围3个硅原子组成3个完整的共价键，还有1个共价键缺少1个价电子，因而在1个共价键上要出现1个空位，即空穴。如图7.1.5所示。因此，在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子

13、二L5FJ0半护悴一丿磷原子由于丢失1个价电子而成为带正电的磷离子，叫施主离子。正离子数目与电子数目相等,6杂质对半导体导电性能的影响掺入杂质以后使半导体的导电性能有很大的增强，研究表明，掺入百万分之一的杂质，可使半导体的载流子数目增加百万倍，所以杂质半导体可被我们用来制作半导体器件。2.1.3PN结及其单向导电性经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结，PN结是构成半导体二极管、半导体三极管和半导体场效应管等器件的基础。*1.PN结的形成当P型半导体与N型半导体结合在一起时，由于P型半导体中空穴

14、为多子,N型半导体中空穴为少子，这样就形成了一个空穴浓度差。由于这个浓度差的存在，在P区的空穴就要向N区扩散。同理，N区的电子也要向P区扩散。我们把因为浓度差而造成多数载流子的定向运动称作扩散运动。在扩散的过程中，电子和空穴相遇后复合，P型半导体在交界附近只剩下不可动的负电荷,态。作用之下，P型半导体中空穴受到电场力与电场方向一致，向空间电荷区运动，N型半导体中的自由电子到电场力与电场方向相反，向空间电荷区运动，即外电场将多数载流子推向空间电荷区，外加电压建立的外电场与内电场方向相反，因而削弱了内电场的作用，使势垒降低，PN结空间电荷区变窄，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散

15、电流，PN结处于导通状N型半导体在交界附近只剩下不可动的正电荷，于是便在交界面的两侧形成一个空间电荷区,这就是PN结，也称阻挡层，耗尽层,如图所示。towl0迤叡E外両牙向湎度远高于陋.子艇远島GOoG0y0*0V*十+1呕/驱空亢|进缚干正严驴电子/k酣由电O輔酬09e.00000e000G0r0W0*09曲m:;a0000eee内电场方向由于外电场可以不断补充多子，所以多子可以源源不断地扩散过PN结，形成较大的电流，此时PN结呈低阻性。正向电压越大，阻挡层薄，PN结正向电阻越小，此时正向电流也就越大，这扩散运动：物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动使靠近接

16、触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。漂移运动：因电场作用所产生的运动称为漂移运动。由此可见，在PN结建立过程中，载流子的运动形成有两种，即扩散运动和漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。2.PN结的单向导电性当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动处于平衡状态。当有外加电压时，就打破了这种平衡。加正向电压PN结导通时我们说PN结外加正向电压时处于导通状态，又称正向偏置，简称正偏。加反向

17、电压PN结截止如图7.2.3所示，给PN结加反向电压时，外加电场的方向与内电场的方向相同，因而加强了内电场的作用，使势垒加高，也就是使PN结的阻挡层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。反向电流与反向电压基本无关，所以反向电流又称为反向饱和电流。必须指出：反向电流虽然很小，但它与温度有密切的关系。随着温度的升高，本征激发的电子-空穴对增加，少子增加，反向电流也就增加。掌握【结论】从上述可知，PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的单向导电性。如图7.2.2,PN结两端加正向电压时，即P区接电源正极，N区接电源鱼

18、极，此时在外电场的21半导体基础知识自测题一、填空题1、自然界的物质，就其导电性能,大致分为三类：绝缘体,半导体。2、导体：自然界中很容易导电的物质称为旻体，金属一般都是导体，如银、铜、铁等金属。3、绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。4、半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体,如错、硅、碑化镣和一些硫化物、氧化物等。5、半导体导电性能有如下两个显著特点：（1）参杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。（2）敏感性:当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。6、半导体类型：半导体材料可按化学组成，可分为元

19、素半导体（错Ge,硅Si等）和化合物半导体（碑化镣GaAs）；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体:按其导电类型可分为N型半导体和P型半导体:按其载流子类型可分为电子型半导体和离子型半导体。7、完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为圭征主导体。8、本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为圭征激发。9、在电场作用下能作定向运动的带电粒子所以把它们统称为载流壬，10、半导体中有两种载流子即电子和空穴。11、本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子牢穴对。12、半导体中两种载流子：带负电的自由电子和带正电的牢穴13、杂质半导体有两种：N型半导体和P型

20、半导体。14、在本征半导体硅或错的晶体内掺入微量的五价元素杂质，如磷，铺等，就形成N型半导体。15、N型半导体自由电子称为多数载流子（简称多子）,空宜称为少数载流子（简称少子）。2.1半导体基础知识习题复习题16、在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。17、P型半导体空底为多数载流子，自由电子为少数载流子。18、杂质半导体总体上保持电中性。19、将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结。20、P型半导体和N型半导体在交界面的两侧形成一个牢间电荷区,这就是PN结，也称阻挡层，耗尽层。21、PN结两

21、端加正向电压时，即P区接电源正極，N区接电源鱼極22、PN结两端加正向电压时，PN结空间电荷区变窄，PN结正向电阻小23、PN结两端加反向电压时，PN结空间电荷区变宽，PN结反向电阻大24、PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的里向导电性。25、PN结加正向电压时，PN结导通:加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的单向导电性。二、选择题1. PN结的单向导电性是指（）。答案：AA.加正向电压导通，加反向电压截止B.加正向电压截止，加反向电压导通C.加正向电压导通，加反向电压导通D.加正向电压截止.加反向电压截止2. P型半导体中，（）是多数载流子

22、。答案：AA.空穴B.电子C.电子和空穴3. N型半导体中，（）是多数载流子。答案：BA.空穴B.电子C.电子和空穴4. PN结加正向电压时，空间电荷区将（）。答案：AA.变窄B.基本不变C.变宽D.无法确定5. 在本征半导体中加入（A）元素可形成N型半导体，加入（C）元素可形成P型半导体。A.五价B.四价C.三价2.1半导体基础知识习题复习题6【参考】*1【说明】实验表明，在电场不太大时，半导体中的电流与电压仍服从欧姆定律：Ul1=，电阻为R=P,p为半导体的电阻率，单位为或QcmRs1电导率=，单位西门子/米(S/m或S/cm),P电导率(conductance)是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数。在公式中,字母来表示。电导率的标准单位是西门子/米(简写做S/m)，为电阻率的倒数。