半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)體絕緣體按導(dǎo)電性能自然界物質(zhì)的分類物質(zhì)結(jié)構(gòu)＝原子核＋核外電子最外層電子數(shù)1~3個(gè)，距原子核較遠(yuǎn)，常溫下導(dǎo)體內(nèi)有大量的自由電子，因此，導(dǎo)電能力強(qiáng)。導(dǎo)電材料有銀、銅、鋁等半導(dǎo)體最外層電子數(shù)通常4個(gè)，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，具有光敏性、熱敏性和摻雜性。半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等最外層電子數(shù)6~8個(gè)，因距原子核很近而束縛力極強(qiáng)，絕緣體內(nèi)幾乎沒有自由電子而不導(dǎo)電。有橡膠、云母、陶瓷等。一、

半導(dǎo)體的獨(dú)特性能

金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕緣體的電導(dǎo)率通常是10-22~10-14s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率則在10-9~102s/cm量級。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨(dú)特性能決定的：光敏性——半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力增大很多；熱敏性——溫度上升時(shí)，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)；摻雜性——在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力極大地增強(qiáng)；二、

本征半導(dǎo)體

最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價(jià)元素，即每個(gè)原子最外層電子數(shù)為4個(gè)。++Si(硅原子)Ge(鍺原子)硅原子和鍺原子的簡化模型圖Si+4Ge+4因?yàn)樵映孰娭行?，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可

天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對稱的本征半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)原子均與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合，即與相鄰四個(gè)原子的價(jià)電子兩兩組成電子對，構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4實(shí)際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。晶格結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價(jià)鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個(gè)原子外層都具有8個(gè)價(jià)電子。但價(jià)電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價(jià)電子原位上留下一個(gè)不能移動(dòng)的空位，叫空穴。

受光照或溫度上升影響，共價(jià)鍵中價(jià)電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，一些價(jià)電子會(huì)掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。

由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)的結(jié)果，使半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。

由于共價(jià)鍵是定域的，這些帶正電的離子不會(huì)移動(dòng)，即不能參與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動(dòng)的帶正電離子。＋＋本征激發(fā)動(dòng)畫演示＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4共價(jià)鍵中其它一些價(jià)電子直接跳進(jìn)空穴，形成空穴載流子的運(yùn)動(dòng)。

自由電子填補(bǔ)空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。

參與復(fù)合的價(jià)電子又會(huì)留下一個(gè)新的空位，這個(gè)新的空穴仍會(huì)被鄰近共價(jià)鍵中跳出來的價(jià)電子再填補(bǔ)上，這種價(jià)電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，把價(jià)電子填補(bǔ)空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)稱為空穴載流子運(yùn)動(dòng)?？昭ㄝd流子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫演示自由電子載流子運(yùn)動(dòng)可以形容為沒有座位人的移動(dòng)；空穴載流子運(yùn)動(dòng)則可形容為有座位的人依次向前挪動(dòng)座位的運(yùn)動(dòng)。

半導(dǎo)體內(nèi)部的本征激發(fā)和復(fù)合兩種運(yùn)動(dòng)總是共存的，且在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高（或光照加強(qiáng)），自由電子與空穴對的濃度加大。

在金屬導(dǎo)體中存在大量的自由電子，這些自由電子在外電場作用下定向移動(dòng)形成電流。即金屬導(dǎo)體內(nèi)部只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電。

半導(dǎo)體由于本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴兩種載流子，因此，半導(dǎo)體中同時(shí)參與導(dǎo)電的通常有兩種載流子，且兩種載流子總是電量相等、符號相反，電流的方向規(guī)定為空穴載流的方向即自由電子的反方向。

溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。這一點(diǎn)正是半導(dǎo)體區(qū)別于金屬導(dǎo)體在導(dǎo)電機(jī)理上的本質(zhì)差別，同時(shí)也是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的獨(dú)特之處。三、

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很低。但若在本征半導(dǎo)體中摻入某種元素的微量雜質(zhì)，則半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能會(huì)大大增強(qiáng)。+五價(jià)元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

室溫下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時(shí)，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。四、

雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體簡化結(jié)構(gòu)圖＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價(jià)元素硼(B)B+摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

通常雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子的數(shù)量可達(dá)到少子數(shù)量的1010倍或更多，因此，比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可增強(qiáng)幾十萬倍。

摻入三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體的多子是空穴，少子是自由電子，不能移動(dòng)的離子帶負(fù)電。－P型半導(dǎo)體簡化結(jié)構(gòu)圖

不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠(yuǎn)大于少子的數(shù)量，因此起主要導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子。注意：

摻入雜質(zhì)后雖然形成了N型或P型半導(dǎo)體，但整個(gè)半導(dǎo)體晶體仍然呈電中性。一般可近似認(rèn)為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。歸納五、PN結(jié)1.PN結(jié)的形成

雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強(qiáng)，但它們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的“元概念”和技術(shù)起始點(diǎn)。在一塊晶片的兩端分別注入三價(jià)元素硼和五價(jià)元素磷++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場動(dòng)畫演示PN結(jié)形成的過程中，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載流子的漂移共存。開始時(shí)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場增強(qiáng)；另一方面，內(nèi)電場又促使了少子的漂移運(yùn)動(dòng)：P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移，補(bǔ)充了交界面上N區(qū)失去的電子，同時(shí)，N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移，補(bǔ)充了原交界面上P區(qū)失去的空穴，顯然漂移運(yùn)動(dòng)減少了空間電荷區(qū)帶電離子的數(shù)量，削弱了內(nèi)電場，使PN結(jié)變窄。最后，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，即PN結(jié)形成。PN結(jié)內(nèi)部載流子基本為零，因此導(dǎo)電率很低，相當(dāng)于介質(zhì)。但PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)導(dǎo)電率很高，相當(dāng)于導(dǎo)體，這一點(diǎn)和電容比較相似，所以說PN結(jié)具有電容效應(yīng)。PN結(jié)正向偏置時(shí)的情況PN結(jié)反向偏置的情況2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的上述“正向?qū)ǎ聪蜃钄唷弊饔?，說明它具有單向?qū)щ娦?，PN結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。反向飽和電流由于很小一般可以忽略，從這一點(diǎn)來看，PN結(jié)對反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的反向阻斷作用。

值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致電子—空穴對增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須考慮溫度補(bǔ)償問題。PN結(jié)中反向電流的討論

ＰＮ結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),它所呈現(xiàn)出的電阻很小。正向電壓愈大,正向電流愈大。其關(guān)系為近似指數(shù)關(guān)系：式中,Ｉ為流過ＰＮ結(jié)的電流；U為ＰＮ結(jié)兩端電壓；

稱為溫度電壓當(dāng)量,其中k為玻耳茲曼常數(shù),Ｔ為絕對溫度,

q為電子的電量,在室溫下即Ｔ＝３００Ｋ時(shí),ＵＴ＝２６ｍＶ；ＩＳ為反向飽和電流。PN結(jié)電特性的定量描述PN結(jié)的伏安特性方程

反向電流是由少數(shù)載流子所形成的,故反向電流很小,而且當(dāng)外加反向電壓超過零點(diǎn)幾伏時(shí),少數(shù)載流子基本全被電場拉過去形成漂移電流,此時(shí)反向電壓再增加,載流子數(shù)也不會(huì)增加,因此反向電流也不會(huì)增加,故稱為反向飽和電流,即Ｉ＝－ＩＳ將電流與電壓的關(guān)系寫成如下通式：此方程稱為伏安特性方程PN結(jié)的伏安特性曲線三、PN結(jié)的反向擊穿問題PN結(jié)反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種：

當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓大大超過反向擊穿電壓時(shí)，處在強(qiáng)電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格，將價(jià)電子碰撞出來，產(chǎn)生電子空穴對，新產(chǎn)生的載流子又會(huì)在電場中獲得足夠能量，再去碰撞其它價(jià)電子產(chǎn)生新的電子空穴對，如此連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大，這種擊穿稱為雪崩擊穿。雪崩擊穿屬于碰撞式擊穿，其電場較強(qiáng)，外加反向電壓相對較高。通常出現(xiàn)雪崩擊穿的電壓均在7V以上。

(1)雪崩擊穿

當(dāng)P區(qū)和N區(qū)摻雜濃度很高，阻擋層很薄時(shí)，PN結(jié)內(nèi)載流子與中性原子碰撞的機(jī)會(huì)大為減少，因而不發(fā)生雪崩擊穿。（2）齊納擊穿PN結(jié)非常薄時(shí)，即使阻擋層兩端加的反向電壓不大，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較強(qiáng)的內(nèi)電場。這個(gè)內(nèi)電場足以把PN結(jié)內(nèi)中性原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子—空穴對，使PN結(jié)反向電流劇增，這種擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿?？梢?，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般均小于5V。

雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿，齊納擊穿是一種場效應(yīng)擊穿，二者均屬于電擊穿。電擊穿過程通?？赡妫褐灰杆侔裀N結(jié)兩端的反向電壓降低，PN結(jié)就可恢復(fù)到原來狀態(tài)。

若PN結(jié)兩端加的反向電壓過高，反向電流將急劇增長，造成PN結(jié)上熱量的不斷積累，從而引起結(jié)溫持續(xù)升高，當(dāng)這個(gè)溫度超過PN結(jié)的最大允許結(jié)溫時(shí)，PN結(jié)就會(huì)發(fā)生熱擊穿，熱擊穿將使PN結(jié)永久損壞。熱擊穿的過程