第一章半导体器件 1.1半导体基础知识 1.2PN结 13半导体三极管
第一章 半 导 体 器 件 1.1 半导体基础知识 1.2 PN 结 1.3 半导体三极管
1.1半导体基础知识 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体 物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素 如铜、铁、铝等金属,其最外层电子受原子核的束缚力很小 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作 用下,这些电子产生定向运动(称为漂移运动形成电流,呈现出 较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡 胶,塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强,极不易摆脱原子 核的束缚成为自由电子,所以其导电性极差,可作为绝缘材料。 而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的 束缚,成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么 紧,因此,半导体的导电特性介于二者之间
1.1 半导体基础知识 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作 用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出 较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡 胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子 核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。 而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的 束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么 紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间
11.1本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导 体材料是硅和锗,它们都是四价元素,在原子结构中最外层 轨道上有四个价电子。为便于讨论,采用图1-1所示的简 化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时,相邻两个 原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子,它们一方面 围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的 轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用,同时还受到 相邻原子核的吸引。于是,两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中,每个原子都和周围的4个原子 用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图1-2所示
1.1.1 本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导 体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层 轨道上有四个价电子。为便于讨论, 采用图 1-１ 所示的简 化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个 原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面 围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的 轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到 相邻原子核的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中, 每个原子都和周围的４个原子 用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图１- ２所示
+4● +4 +4 价电子 价键 +4 图1-1 硅和锗简化原子 +4)(+4)(+4) 结构模型 图1-2本征半导体共价键晶体结构示意图
＋ 4 图 1 – 1 硅和锗简化原子 结构模型 ＋4 共 价 键 价 电 子 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 图 1 – 2 本征半导体共价键晶体结构示意图
共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量,其中 少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子,同时必然在共 价键中留下空位,称为空穴。空穴带正电,如图1-3所示。 +4 +4)9(+4) 空穴 (+(+-(+9二> <c(+4)x +4) 图1-3本征半导体中的自由电子和空穴
＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 自由 空穴 电子 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中 少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然在共 价键中留下空位,称为空穴。空穴带正电, 如图 1-３所示。 图 1 – 3 本征半导体中的自由电子和空穴
由此可见,半导体中存在着两种载流子: 带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半 导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的 因此,它们的浓度是相等的。我们用n和p分 别表示电子和空穴的浓度,即n=p下标凌表示 为本征半导体
由此可见, 半导体中存在着两种载流子： 带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半 导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我们用n和p分 别表示电子和空穴的浓度, 即ni=pi , 下标i表示 为本征半导体
价电子在热运动中获得能量产生了电子空穴对。同 时自由电子在运动过程中失去能量,与空穴相遇,使电子 空穴对消失,这种现象称为复合。在一定温度下,载流子 的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是 定的。本征半导体中载流子的浓度,除了与半导体材料本 身的性质有关以外,还与温度有关,而且随着温度的升高, 基本上按指数规律增加。因此,半导体载流子浓度对温度 十分敏感。对于硅材料,大约温度每升高8℃,本征载流 子浓度n增加1倍;对于锗材料,大约温度每升高12℃ n增加1倍。除此之外,半导体载流子浓度还与光照有 关,人们正是利用此特性,制成光敏器件
价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同 时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子 的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一 定的。本征半导体中载流子的浓度, 除了与半导体材料本 身的性质有关以外, 还与温度有关, 而且随着温度的升高, 基本上按指数规律增加。因此, 半导体载流子浓度对温度 十分敏感。对于硅材料, 大约温度每升高８℃, 本征载流 子浓度ni增加 1 倍；对于锗材料, 大约温度每升高１２℃, ｎｉ增加 1 倍。 除此之外, 半导体载流子浓度还与光照有 关, 人们正是利用此特性,制成光敏器件
112杂质半导体 N型半导体 在本征半导体中,掺入微量5价元素,如磷、锑、砷等,则 原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子 的最外层有5个价电子,因此它与周围4个硅(锗)原子组成共 价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束缚,而只受自 身原子核的束缚,因此,它只要得到较少的能量就能成为自由电 子,并留下带正电的杂质离子,它不能参与导电,如图1-4所示。 显然,这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度,即 n1>>pa(下标n表示是N型半导体)主要靠电子导电,所以称为 N型半导体。由于5价杂质原子可提供自由电子,故称为施主 杂质。N型半导体中,自由电子称为多数载流子;空穴称为少 数载流子
1.1.2 杂质半导体 1. 在本征半导体中, 掺入微量５价元素, 如磷、锑、砷等, 则 原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子 的最外层有５个价电子, 因此它与周围４个硅(锗)原子组成共 价键时, 还多余 1 个价电子。 它不受共价键的束缚, 而只受自 身原子核的束缚, 因此, 它只要得到较少的能量就能成为自由电 子, 并留下带正电的杂质离子, 它不能参与导电, 如图１-４所示。 显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度, 即 nn >>pn (下标ｎ表示是Ｎ型半导体), 主要靠电子导电, 所以称为 Ｎ型半导体。由于５价杂质原子可提供自由电子, 故称为施主 杂质。Ｎ型半导体中, 自由电子称为多数载流子；空穴称为少 数载流子
<(+4)(+4)2.(+4) 键外 电子 (+4 +5 +4 施主 原子 +4 +4 +4 图1-4N型半导体共价键结构
＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋5 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 键外 电子 施主 原子 图 1 - 4 N型半导体共价键结构
杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂 质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的, 因而其浓度主要取决于温度。此时电子浓度与空穴浓 度之间,可以证明有如下关系: nnPn=npI=ni- p2 即在一定温度下,电子浓度与空穴浓度的乘积是 个常数,与掺杂浓度无关
杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂 质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的, 因而其浓度主要取决于温度。 此时电子浓度与空穴浓 度之间,可以证明有如下关系： 2 2 n n 1 1 1 1 n p n p n p = = = 即在一定温度下, 电子浓度与空穴浓度的乘积是一 个常数, 与掺杂浓度无关