半導(dǎo)體的基本知識成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院成都卓物科技有限公司半導(dǎo)體的基本知識本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種純凈的結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。電導(dǎo)率是半導(dǎo)體的重要物理特性，與材料內(nèi)單位體積中所含的電荷載流子的數(shù)目有關(guān)，電荷載流子的濃度愈高，其電導(dǎo)率愈高。半導(dǎo)體內(nèi)載流子的濃度取決于許多因素，包括材料的基本性質(zhì)、溫度以及所含的雜質(zhì)。在T=0K和沒有外界激發(fā)時，由于每一原子的外圍電子被共價鍵所束縛，這些束縛電子對半導(dǎo)體內(nèi)的傳導(dǎo)電流沒有貢獻(xiàn)。半導(dǎo)體共價鍵中的價電子并不像絕緣體中束縛得那樣緊。在室溫下，價電子就會獲得足夠的隨機熱振動能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。半導(dǎo)體的基本知識空穴當(dāng)電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，共價鍵中就留下一個空位，這個空位叫做空穴。空穴是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特點。空穴導(dǎo)電由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴，在外加電場的作用下，鄰近價電子就可填補到這個空位上，而在這個電子原來的位置上又留下新的空位，其他電子又可轉(zhuǎn)移到這個新的空穴，這樣就使共價鍵中出現(xiàn)電荷遷移。共價鍵中空穴或束縛電子移動產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)空穴引起的。把空穴看成是一個帶正電的粒子，所帶的電量與電子相等，符號相反，在外加電場作用下，可以自由地在晶體中運動，從而和自由電子一樣導(dǎo)電。因此空穴是一種載流子，空穴越多，半導(dǎo)體中的載流于數(shù)目就越多，因此形成的電流就愈大。半導(dǎo)體的基本知識雜志半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體內(nèi)滲入少量三價元素雜質(zhì)，如硼(或銦)等，因硼原子只有三個價電子，它與周圍硅原于組成共價鍵時，缺少一個電子，在晶體中便產(chǎn)生一個空位。當(dāng)相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)獲得能量時，有可能填補這個空位，使硼原子成為不能移動的負(fù)離子；而原來硅原子的共價鍵，則因缺少一個電子，形成了空穴。因為硼原子在硅晶體中能接受電子，故稱硼為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，受主雜質(zhì)除硼外,尚有銦和鋁。加入砷化鎵的受主原子包括元素周期表中的II族元素(作為鎵原子的受主)或IV族元素(作為砷原子的受主)。P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)P型半導(dǎo)體在產(chǎn)生空穴時，不產(chǎn)生新的自由電子。控制摻入雜質(zhì)的多少，便可控制空穴數(shù)量。在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)，在這種半導(dǎo)體中，以空穴導(dǎo)電為主，因而空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。半導(dǎo)體的基本知識雜志半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體為了在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生多余的電子，可以將一種叫做施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)摻入硅(或鍺)的晶體內(nèi)。施主原子在摻雜半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)中多余一個電子。典型的施主原子有磷、砷和銻。在砷化鎵工藝中，施主原子包括元素周期表中的VI族元素(作為砷原子的施主)或IV族元素(作為鎵原子的施主)。當(dāng)一個施主原子加入半導(dǎo)體后，其多余的電子易于受熱激發(fā)而成為自由電子參與傳導(dǎo)電流，它移動后，在施主原子的位置上留下一個固定的、不能移動的正離子。在產(chǎn)生自由電子的同時，并不產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)在摻入雜質(zhì)后，載流子的數(shù)目都有相當(dāng)程度的增加。若每個受主雜質(zhì)都能產(chǎn)生一個空穴，或者每個施主雜質(zhì)都能產(chǎn)生一個自由電子，則盡管雜質(zhì)含量很微，但它們對半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力卻有很大的影響。半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性P型半導(dǎo)體中含有的受主雜質(zhì)電離為帶正電的空穴和帶負(fù)電的受主離子。N型半導(dǎo)體中含有的施主雜質(zhì)電離為帶負(fù)電的電子和帶正電的施主離子。在室溫下，P型和N型半導(dǎo)體中還有少數(shù)受本征激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴，通常本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子要比摻雜產(chǎn)生的少得多。半導(dǎo)體中的正負(fù)電荷數(shù)是相等的，它們的作用互相抵消，因此保持電中性。PN結(jié)的形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別，N型區(qū)內(nèi)電子多而空穴少，P型區(qū)內(nèi)則相反，空穴多而電子少。電子和空穴都要從濃度高的地方向著濃度低的地方擴散。電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴散，空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。電子和空穴都是帶電的，它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)和N區(qū)中原來保持的電中性被破壞了。半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成耗盡區(qū)P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子；N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導(dǎo)體中的離子雖然帶電，但由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，它們不能任意移動，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動的帶電粒子通常稱為空間電荷，集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是PN結(jié)。在這個區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子已擴散到對方并復(fù)合掉了，或者說消耗盡了，因此空間電荷區(qū)有時又稱為耗盡區(qū)。擴散越強，空間電荷區(qū)越寬。擴散運動出現(xiàn)空間電荷區(qū)以后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)中就形成了一個電場，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。電場是由載流子擴散運動形成的，稱為內(nèi)電場。顯然，這個內(nèi)電場的方向是阻止擴散的，因為這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反。半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成漂移運動另一方面，根據(jù)電場的方向和電子、空穴的帶電極性，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少。漂移運動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，其作用正好與擴散運動相反。當(dāng)漂移運動達(dá)到和擴散運動相等時，便處于動態(tài)平衡狀態(tài)。勢壘區(qū)PN結(jié)的空間電荷區(qū)存在電場，電場的方向是從N區(qū)指向P區(qū)的，這說明N區(qū)的電位要比P區(qū)高，高出的數(shù)值用V0表示，這個電位差稱為接觸電位差，一般為零點幾伏。在PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)，電子勢能(-qV0)發(fā)生了變化，電子要從N區(qū)到P區(qū)必須越過一個能量高坡，一般稱為勢壘，因此又把空間電荷區(qū)稱為勢壘區(qū)。半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)外加正向電壓當(dāng)VF的正端接P區(qū)，負(fù)端接N區(qū)時，外加電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反。在外場作用下，PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴和N區(qū)的多數(shù)載流子電子都要向PN結(jié)移動。當(dāng)空穴進(jìn)入PN結(jié)后，就要和一部分負(fù)離子中和，使P區(qū)的空間電荷量減少；當(dāng)電子進(jìn)入PN結(jié)時，中和了部分正離子，使N區(qū)的空間電荷量減少，結(jié)果使PN結(jié)變窄。耗盡區(qū)厚度變薄，耗盡區(qū)中載流子增加，因而電阻減小，所以這個方向的外加電壓稱為正向偏置電壓。半導(dǎo)體的體電阻和PN結(jié)電阻相比是很小的，外加電壓將集中在PN結(jié)上。外加電壓將使PN結(jié)的電場由E0減小到E0-EF

，電子的電勢能將由-qV0減為-q(V0-VF)，勢壘降低了，P區(qū)和N區(qū)中能越過勢壘的多數(shù)載流子大大增加，形成擴散電流。擴散運動將大于漂移運動，N區(qū)電子不斷擴散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴散到N區(qū)。PN結(jié)內(nèi)的電流便由起支配地位的擴散電流所決定，在外電路上形成一個流入P區(qū)的電流，稱為正向電流IF。外加電壓只要稍有變化，便能引起電流的顯著變化。正向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個很小的電阻。半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2)外加反向電壓當(dāng)外加電壓VR的正端接N區(qū)，負(fù)端接P區(qū)時，外加電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同。在這種外電場作用下，P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子都將進(jìn)一步離開PN結(jié)，使耗盡區(qū)厚度加寬，這時PN結(jié)處于反向偏置。外加電壓將使PN結(jié)電場由E0增加到E0+ER，電子的電勢能將由-qV0增至-q(V0+VR)，使P區(qū)和N區(qū)中的多數(shù)載流子很難越過勢壘，因此擴散電流趨近于零。由于結(jié)電場的增加,使N區(qū)和P區(qū)中的少數(shù)載流子更容易產(chǎn)生漂移運動，PN結(jié)內(nèi)的電流由漂移電流決定。漂移電流的方向與擴散電流相反，表現(xiàn)在外電路上有一個流入N區(qū)的反向電流IR，由少數(shù)載流子的漂移運動形成。由于少數(shù)載流子濃度很小，所以IR很微弱，一般為微安數(shù)量級。少數(shù)載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其數(shù)值決定于溫度，幾乎與外加電壓VR無關(guān)。在一定溫度T下，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子的數(shù)量是一定的，電流的值趨于恒定，反向電流IR就是反向飽和電流，用Is表示。半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的單向?qū)щ娦杂捎贗s很小，所以PN結(jié)在反向偏置時，呈現(xiàn)出一個很大的電阻，可認(rèn)為它基本是不導(dǎo)電的。PN結(jié)的正向電阻很小，反向電阻很大，這就是它的單向?qū)щ娦浴N結(jié)的單向?qū)щ娦躁P(guān)鍵在于耗盡區(qū)的存在，且其寬度隨外加電壓而變化。半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的反向擊穿如果加到PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然增加，這個現(xiàn)象就稱為PN結(jié)的反向擊穿。發(fā)生擊穿所需的反向電壓VRR稱為反向擊穿電壓。PN結(jié)電擊穿后電流很大，電壓又很高，因而消耗在PN結(jié)上的功率是很大的，容易使PN結(jié)發(fā)熱超過它的耗散功率。在強電場作用下，大大地增加了自由電子和空穴的數(shù)目，引起反向電流的急劇增加，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的反向擊穿雪崩擊穿雪崩擊穿的物理過程為：當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場增強，空間電荷區(qū)的電子和空穴，在電場作用下獲得的能量增大，當(dāng)與晶體原子發(fā)生碰撞，可使共價鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的電子和空穴與原有的電子和空穴一樣，在電場作用下，又獲得能量，又可通過碰撞再產(chǎn)生電子-空穴對，產(chǎn)生倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子急劇增加，使反向電流急劇增大，于是PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。齊納擊穿在加有較高的反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存在一個強電場，它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子-空穴對，形成較大