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第一章常用半导体器件
自然界中物质按导电能力分为三大类:
导体—很容易导电的物质。如银、铜、金、铝。
绝缘体—很不容易导电的物质。如塑料、陶瓷。
半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间。如锗、硅。


纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
一、半导体
硅原子
锗原子
硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子
本征半导体的共价键结构
共价键
在绝对温度T=0K时,所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中,不会成为自由电子,因此本征半导体的导电能力很弱,接近绝缘体。
二、本征半导体的晶体结构
将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。
相邻两个原子的一对最外层电子成为共用电子,这样的组合称为共价键结构。
当温度升高或受到光的照射时,束缚电子能量增高,有的电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。
自由电子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
空穴
自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,称为空穴。
三、本征半导体中的两种载流子
自由电子和空穴数目相等
运载电荷的粒子称为载流子。
本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电,这是半导体的特殊性质。
可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高(温度越高),产生的电子空穴对越多。
自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。
在一定温度下,本征激发和复合同时进行,达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。pi = ni=常数
常温300K时:
电子空穴对的浓度
硅:
锗:
自由电子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
空穴
四、本征半导体中的载流子的浓度
这一现象称为本征激发,也称热激发。

通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,便可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不同,可形成N型半导体和P型半导体。
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。
多余电子
磷原子
硅原子
一、N型半导体
在纯净的硅晶体中掺入5价元素,使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。
多数载流子——自由电子
少数载流子——空穴
这种杂质半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度,故称自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子。
由于杂质原子可以提供电子,故称之为施主原子。
二、P型半导体
由于杂质原子的最外层有3个价电子,所以当它们与周围的硅原子形成共价键时,就产生了一个空穴。因此,P型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子。
因杂质原子中的空位吸收电子,故称之为受主原子。
空穴
硼原子
硅原子
在纯净的硅体中掺入3价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成P型半导体。
多数载流子——空穴
少数载流子——自由电子
PN结
采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。
当空间电荷区形成后,在内电场作用下,少子产生漂移运动。当参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目,从而达到动态平衡,形成PN结。
一、PN结的形成
物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动,这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动(多子)。
内电场E
空间电荷区
多子扩散电流
少子漂移电流
耗尽层
由于扩散到P区的自由电子与空穴复合,而扩散到N区的空穴与自由电子复合,所以在交界面附近多子的浓度下降,P区出现负离子,N区出现正离子,他们是不能移动的,称为空间电荷区。
在电场力作用下,载流子的运动称为漂移运动(少子)。