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半导体的基础知识

    半导体的基础知识

    我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。

    在学习半导体之前我们还要了解一些物质导电性的基础知识：物质为什麽会导电.

一:本征半导体

    纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。

    共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。
    在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；
    同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。
    因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。
二：杂质半导体

    在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。

    1.N型半导体
    在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。
在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

    2.P型半导体
    在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的外层只有2-3价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。

P—N结

    我们通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了P—N结，它是构成其它半导体的基础，我们要掌握好它的特性！

一：异形半导体接触现象
    在形成的P—N结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从N区向P区扩散；空穴从P去向N区扩散。因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场(自建场).
它们的形成过程如图（1），（2）所示

    在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。
二：PN结的单向导电性
    我们在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。
1.PN结外加正向电压 PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区。如图（1）所示

    这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。它的关系是指数关系：

    其中：ID为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压，
UT=kT/q称为温度电压当量，其中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量，在室温下（300K）时UT=26mv，IS为反向饱和电流。这个公式我们要掌握好！

2.PN结外加反向电压
    它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流。即：ID=-IS
    此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。
    由以上我们可以看出：PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。

它的电流和电压的关系通式为：
它被称为伏安特性方程，如图（3）所示为伏安特性曲线。
三：PN结的击穿
    PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。
击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。
对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。
击穿并不意味着PN结烧坏。

四：PN结的电容效应
    由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容效应有两种：势垒电容和扩散电容。
    势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。
    扩散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。
PN结正偏时，扩散电容起主要作用，PN结反偏时，势垒电容起主要作用。

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本文刊于：2010-12-26 20:18:46

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