科普 现代半导体的基本知识

时间: 2024-10-05 18:03:36 |   作者: 家居及玩具

  物质按导电功能可分为导体、绝缘体与半导体。物质的导电特性取决于原子结构。

  导体一般为贱价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的捆绑力很小, 因此极易挣脱原子核的捆绑成为自由电子。因此在外电场效果下, 这些电子发生定向运动(称为漂移运动)构成电流, 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捆绑力很强, 极不易脱节原子核的捆绑成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘资料。

  半导体的最外层电子数一般为4个，既不像导体那样极易脱节原子核的捆绑, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核捆绑得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。常用的半导体资料有硅、锗、硒等。

  金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9~102s/cm量级。

  半导体的导电才能尽管介于导体和绝缘体之间，但半导体的使用却极端广泛，这是由半导体的共同功能决议的：

  纯洁晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体资料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层轨迹上有四个价电子。

  把硅或锗资料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面环绕本身的原子核运动, 另一方面又呈现在相邻原子所属的轨迹上。即价电子不只遭到本身原子核的效果, 一起还遭到相邻原子核的招引。

  所以, 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个原子用共价键的方式相互严密地联络起来。

  从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。

  受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加重，一些价电子会挣脱原子核的捆绑游离到空间成为自由电子。

  本征激起的成果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的发生，由此本征半导体的电中性被损坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

  因为共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参加导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。

  受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子从头康复电中性。价电子添补空穴的现象称为复合。

  参加复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被附近共价键中跳出来的价电子添补上，这种价电子添补空穴的复合运动使本征半导体中又构成一种不同于本征激起下的电荷搬迁，为差异于本征激起下自由电子。

  自由电子载流子运动能够描述为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可描述为有座位的人顺次向前移动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在必定温度下到达动态平衡。

  金属导体中只需自由电子一种载流子参加导电；而半导体中则是本征激起下的自由电子和复合运动构成的空穴两种载流子一起参加导电。两种载流子电量持平、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。

  依据物体导电才能(电阻率)的不同划分为导体、绝缘体与半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

  本征半导体是—种化学成分纯洁、结构完好的半导体。制作半导体器材的半导体资料的纯度要到达99.9999999%，常称为九个9。它在物理结构上呈单晶体形状。

  ② 掺杂性—在本征半导体中掺入某种特定的杂质，成为杂质半导体后，其导电率会显着的发生改动。

  在绝对温度0K时，半导体中没有自由电子。当温度上升或遭到光的照耀时，将有少量电子能挣脱原子核的捆绑而成为自由电子，流下的空位称为空穴，这一现象称为本征激起(也称热激起)。在本征半导体中自由电子和空穴是一起成对呈现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也或许回到空穴中去，称为复合。本征激起和复合在必定温度下会到达动态平衡。自由电子和空穴在半导体中都是导电粒子，称它们为载流子。

  在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可构成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只需四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子构成共价键，而剩余的一个价电子因无共价键捆绑而很简单构成自由电子。在N型半导体中自由电子是大都载流子(多子),它主要由杂质原子供给;空穴是少量载流子(少子), 由热激起构成。

  在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等构成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子构成共价键时，短少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是大都载流子，主要由掺杂构成;电子是少量载流子，由热激起构成。

  制作半导体器材的半导体资料的纯度要到达99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形状。

  硅和锗是四价元素，在原子最外层轨迹上的四个电子称为价电子。它们别离与周围的四个原子的价电子构成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所捆绑，在空间构成摆放有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图。

  当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度上升或遭到光的照耀时，价电子能量增高，有的价电子能够挣脱原子核的捆绑，而参加导电，成为自由电子。这一现象称为本征激起(也称热激起)。

  自由电子发生的一起，在其本来的共价键中就呈现了一个空位，原子的电中性被损坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量持平，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。可见因热激起而呈现的自由电子和空穴是一起成对呈现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也或许回到空穴中去，称为复合，如图所示。本征激起和复合在必定温度下会到达动态平衡。

  自由电子的定向运动构成了电子电流，空穴的定向运动也可构成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子顺次充填空穴来完成的。

  在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生明显改变。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

  在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可构成N型半导体,也称电子型半导体。

  因五价杂质原子中只需四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子构成共价键，而剩余的一个价电子因无共价键捆绑而很简单构成自由电子。在N型半导体中自由电子是大都载流子,它主要由杂质原子供给;空穴是少量载流子, 由热激起构成。

  供给自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图所示。

  在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等构成了P型半导体，也称为空穴型半导体。

  因三价杂质原子在与硅原子构成共价键时，短少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是大都载流子，主要由掺杂构成;电子是少量载流子，由热激起构成。

  空穴很简单抓获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因此也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图。

  在本征半导体中，有挑选地掺入少量其它元素，会使其导电功能发生明显改变。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。依据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。

  在本征半导体中, 掺入微量５价元素, 如磷、锑、砷等, 则本来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。因为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, 还剩余 1 个价电子。它不受共价键的捆绑, 而只受本身原子核的捆绑, 因此, 它只需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, 它不能参加导电。

  明显, 这种杂质半导体中电子浓度远大于空穴的浓度, 即nnpn(下标ｎ表明是Ｎ型半导体), 主要靠电子导电, 所以称为Ｎ型半导体。因为５价杂质原子可供给自由电子, 故称为施主杂质。Ｎ型半导体中, 自由电子称为大都载流子；空穴称为少量载流子。

  在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子代替了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只需三个共价键是完好的，第四个共价键因短少一个价电子而呈现一个空位。

  N型半导体：自由电子称为大都载流子；空穴称为少量载流子，载流子数 电子数

  在一块完好的晶片上,经过必定的掺杂工艺,一边构成P型半导体,另一边构成N型半导体。P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。所以P区中的空穴会向N区分散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区分散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区别离留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述进程如图(a)所示。成果在界面的两边构成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图(b)所示。

  给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此刻称PN结为正向偏置(简称正偏)。因为外加电源发生的外电场的方向与PN结发生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区大都载流子向对方分散,构成正向电流,此刻PN结处于正导游通状况。

  给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏)。

  因为外加电场与内电场的方向共同,因此加强了内电场,使PN结加宽,阻止了多子的分散运动。在外电场的效果下,只需少量载流子构成的很弱小的电流,称为反向电流。

  当加于PN结的反向电压增大到必定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿。PN结发生反向击穿的机理可大致分为两种。

  在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移经过耗尽区时被加快，动能增大。当反向电压大到必定值时，在耗尽区内被加快而取得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，发生电子、空穴对。新发生的电子、空穴被强电场加快后，又会撞出新的电子、空穴对。

  在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内构成很强的电场。当反向电压大到必定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，发生很多电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅资料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿；UBR 5V时为齐纳击穿；UBR介于5~7V时，两种击穿都有。

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