半導體基礎知識
半導體基礎知識
半導體器件是構成電子電路的基本元件，它們所用的材料是經(jīng)過特殊加工且性能可控的半導體材料。
本征半導體：純凈的具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。
半導體：物質(zhì)的導電性能決定于原子結構。導體一般為低價元素，它們的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子，在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動，形成電流。高價元素(如惰性氣體)或高分子物質(zhì)(如橡膠)，它們的最外層電子受原子核束縛力很強，很難成為自由電子，所以導電性極差，成為絕緣體。常用的半導體材料硅(Si)和鍺(Ge)均為四價元素，它們的外層電子既不像導體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛的那么緊，因而其導電性介于二者之間。在形成晶體結構的半導體中，人為地摻入特定的雜質(zhì)元素時，導電性能具有可控性；并且，在光照和熱輻射條件下，其導電性還有明顯的變化；這些特殊的性質(zhì)就決定了半導體可以制成各種電子器件。
本征半導體的晶體結構：將純凈的半導體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體，即為本征半導體。晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，稱為晶格。由于相鄰原子間的距離很小，因此，相鄰的兩個原子的一對最外層電子(即價電子)不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，這樣的組合稱為共價鍵結構。
本征半導體中的兩種載流子：晶體中的共價鍵具有很強的結合力，因此，在常溫下，僅有極少數(shù)的價電子由于熱運動(熱激發(fā))獲得足夠的能量，從而掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。與此同時，在共價鍵中留下一個空位置，稱為空穴。原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本征半導體中，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，即自由電子與空穴數(shù)目相等。這樣，若在本征半導體兩端外加一電場，則一方面自由電子將產(chǎn)生定向移動，形成電子電流；另一方面由于空穴的存在，價電子將按一定的方向依次填補空穴，也就是說空穴也產(chǎn)生定向移動，形成空穴電流。由于自由電子和空穴所帶電荷極性不同，所以它們的運動方向相反，本征半導體中的電流是兩個電流之和。運載電荷的粒子稱為載流子。導體導電只有一種載流子，即自由電子導電；而本征半導體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導電，這是半導體導電的特殊性質(zhì)。
本征半導體中載流子的濃度：半導體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，而兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復合。在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復合的自由電子與空穴對數(shù)目相等，故達到動態(tài)平衡。換言之，在一定溫度下，本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當環(huán)境溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多，則載流子的濃度升高，因而必然使得導電性能增強。反之，若環(huán)境溫度降低，則載流子的濃度降低，因而導電性能變差，可見，本征半導體載流子的濃度是環(huán)境溫度的函數(shù)。應當指出，本征半導體的導電性能很差，且與環(huán)境溫度密切相關。半導體材料性能對溫度的這種敏感性，既可以用來制作熱敏和光敏器件，又是造成半導體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。
本征半導體結構與內(nèi)部載流子
雜質(zhì)半導體：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導體。按摻入的雜質(zhì)元素不同，可形成N型半導體和P型半導體；控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導體的導電性能。
N型半導體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素(如磷)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。由于雜質(zhì)原子的最外層有五個價電子，所以除了與其周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。多出的電子不受共價鍵的束縛，只需獲得很少的能量，就成為自由電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就可使它們成為自由電子。而雜質(zhì)原子因在晶格上，且又缺少電子，故變?yōu)椴荒芤苿拥恼x子。N型半導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子；簡稱前者為多子，后者為少子，由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱之為施主原子。N型半導體主要靠自由電子導電，摻入的雜質(zhì)越多，多子(自由電子)的濃度就越高，導電性能也就越強。
P型半導體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素(如硼)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半導體。由于雜質(zhì)原子的最外層有三個價電子，所以當它們與周圍的硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個“空位”(空位為電中性)，當硅原子的外層電子填補此空位時，其共價鍵中便產(chǎn)生了一個空穴。而雜質(zhì)原子成為不可移動的負離子。因而P型半導體中空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導電。與N型半導體相同，摻入的雜質(zhì)越多，空穴的濃度就越高，使得導電性能越強。因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。
N型、P型半導體結構
從以上分析可知，由于摻入的雜質(zhì)使多子的數(shù)目大大增加，從而使多子與少子復合的機會大大增多。因此，對于雜質(zhì)半導體，多子的濃度愈高，少子的濃度就愈低?？梢哉J為，多子的濃度約等于所摻雜質(zhì)原子的濃度，因而它受溫度的影響很少；而少子是本征激發(fā)形成的，所以盡管其濃度很低，卻對溫度非常敏感，這將影響半導體器件的性能。
PN結：采用不同的摻雜工藝，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結。PN結具有單向導電性。
PN結的形成：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。當把P型半導體和N型半導體制作在一起時，在它們的交界面，兩種載流子的濃度差很大，因而P區(qū)的空穴必然向N區(qū)擴散，與此同時，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴散。由于擴散到P區(qū)的自由電子與空穴復合，而擴散到N區(qū)的空穴與自由電子復合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)電場。隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止擴散運動的進行。在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移運動。當空間電荷區(qū)形成后，在內(nèi)電場作用下，少子產(chǎn)生漂移運動，空穴從N區(qū)向P區(qū)運動，而自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。在無外電場和其他激發(fā)作用下，參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達到動態(tài)平衡，形成PN結。此時，空間電荷區(qū)具有一定的寬度，電位差為，電流為零?？臻g電荷區(qū)內(nèi)，正、負電荷的電量相等；因此，當P區(qū)與N區(qū)雜質(zhì)濃度相等時，負離子區(qū)與正離子區(qū)的寬度也相等，稱為對稱結；而當兩邊雜質(zhì)濃度不同時，濃度高一側的離子區(qū)寬度低于濃度低的一側，稱為不對稱PN結；兩種結的外部特性是相同的。絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)自由電子和空穴都非常少，在分析PN結特性時常忽略載流子的作用，而只考慮離子區(qū)的電荷，這種方法稱為“耗盡層近似”，故也稱空間電荷區(qū)為耗盡層。
PN結
PN結的單向導電性：如果在PN結的兩端外加電壓，就將破壞原來的平衡狀態(tài)。此時，擴散電流不再等于漂移電流，因而PN結將有電流流過。當外加電壓極性不同時，PN結表現(xiàn)出截然不同的導電性能，即呈現(xiàn)出單向導電性。
PN結加外加正向電壓時導通：當電源的正極(或正極串聯(lián)電阻后)接到PN結的P端，且電源的負極(或負極串聯(lián)電阻后)接到PN結的N端時，稱PN結外加正向電壓，也稱正向接法或正向偏置。此時外電場將多數(shù)載流子推向空間電荷區(qū)，使其變窄，削弱了內(nèi)電場，破壞了原來的平衡，使擴散運動加劇，漂移運動減弱。由于電源的作用，擴散運動將源源不斷地進行，從而形成正向電流，PN結導通。PN結導通時的結壓降只有零點幾伏，因而應在它所在的回路中串聯(lián)一個電阻，以限制回路的電流，防止PN結因正向電流過大而損壞。
PN結加外加反向電壓時截止：當電源的正極(或正極串聯(lián)電阻后)接到PN結的N端，且電源的負極(或負極串聯(lián)電阻后)接到PN結的P端時，稱PN結外加反向電壓，也稱反向接法或反向偏置。此時外電場使空間電荷區(qū)變寬，加強了內(nèi)電場，阻止擴散運動的進行，而加劇漂移運動的進行，形成反向電流，也稱為漂移電流。因為少子的數(shù)目極少，即使所有的少子都參與漂移運動，反向電流也非常小，所以在近似分析中常將它忽略不計，認為PN結外加反向電壓時處于截止狀態(tài)。
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