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半导体的基本知识1. 导体、绝缘体和半导体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1） 导体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，这些电子产生泄向运动（称为漂移运动）形成电 流，呈现出较好的导电特性2） 绝缘体高价元素（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3） 半导体半导体的最外层电子数一般为4个，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常用的半导体材料有 硅、错、硒等2. 半导体的独特性能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10-9A102s/cm M级半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半 导体的独 特性能决左的：光敏性一一半导体受光照后，苴导电能力大大增强热敏性一一受温度的影响，半导体导电能力变化很大：掺杂性一在半导体中掺入少虽:特殊杂质，其导电能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决左的。

3. 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错，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如图1±1所示顷…V' 价:_一--电• \ I I子O二所以稳左性并不能图1遇■搭晶硅神够的共价魏绑构示意图 受光照或温度象纱动加剧，一些价电子上升影响，共价键中价电子的热运会挣脱原子核的束缚游离到空间图1.1.1 S1和G已的原子结构为便于讨论，采用图1±2所示的简化原子结构模型图1.1.2 si和6;砾子结构的简化模型把硅或错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 方而囤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，每个原子都和周市的4个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来，如图1±3严二*一，匚「一从共价键晶构来祢每个原冰层都具*个俗6但价电子是相邻原子共用,成为自由电子游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发〃本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破 坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

由于共价键是立域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固左不动的带 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，使失电子的原子重新恢复电中 性价电子填补空穴的现象称为复合.参与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邻近共价键中跳出来的价电子填补 上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别 于本征激发下自由电子 载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一沱温度下达到动态平衡半导体的导电机理：半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电：而半导体中则是本征激发下的自由电子和 复合运动 形成的空穴两种载流子同时参与导电两种载流子电呈:相等、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结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

4. 杂质半导体在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使苴导电性能发生显著变化这些少量元素统 称为杂质掺入杂质的半导体称为杂质半导体根据掺入的杂质不同，有N型半导 体和P型半导体两 种1）N型半导体在本征半导体中，掺入微量5价元素，如磷、鳞、碑等，则原来晶格中的某些硅雁）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，因此它与周用4个硅（错）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a：»a.（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图1.14 N型半导体原子结构示意图（2） P型半导体在本征硅（或错）中掺入少量的三价元素，如硼、铝、钢等，就得到P型半导体这时杂质原子替代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，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1.1.5所/Ko图1±5P型半导体原子结构示总图(3) P型、N型半导体的简化图示图1±6所示为P型、N型半导体的简化图㊀。

㊀©• ©• ©• ©•多数找流了多数载流子少数载流子少数载流子图1.1.6 P型、N型半导体的简化图结论:N型半导体：自由电子称为多数载流子：空穴称为少数载流子，载流子数二电子数P型半导体：空穴称为多数载流子；自由电子称为少数载流子，载流子数心空穴数5. PN 结(1)PN结的形成1)载流子的浓度差引起多子的扩散在一块完整的晶片上，通过一泄的掺杂工艺，一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体P 型半导体和N型半导体育机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的 界而处存在空穴和电子的浓度差于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合而N区中 的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子 和施主正离子上述过程如图1.17(a)所示结果在界而的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电 荷区，如图1.1.7(b)所示空间电荷区丁1 “©0°Ooo©O°Qo0°瞒：Q©「 ©o矿° © ©㊉㊉包(o㊉㊉©.©(b)复合使交界而形成空间电荷区 • •'空间电荷区的特点：无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移3)扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流(2) PN结的单向导电特性在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。

1)PN结正向偏置给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极,N区接电源负极，此时称PN结为正向偏宜(简称 正偏)，如图1上 8所示由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反，肖愫 了内电场，使PN结变薄，有利于两区多数载流子向对方扩散，形成正向电流，此时PN结处于正向导 通状态图1.1.8 PN结加正向电压2. PN结反向偏置给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），如图1 ± 9所示P区彳 内由场夕卜电场图1.1.9 PN结加反向电压由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场使PN结加宽，阻碍了多子的扩散运动在 外电场的作用下，只有少数载流子形成的很微弱的电流，称为反向电流注：少数载流子是由于热激发产生的，因而PN结的反向电流受温度影响很大结论：PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通，加反向电压时截止6、PN结的击 穿特性当加于PN结的反向电压增大到一泄值时，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以分为两种1）雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加 速，动能 增大。

当反向电压大到一泄值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰 撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对2）齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场当反 向电压大到一立值时，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产生大虽电子、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，对硅材料的PN结，内r>7V 时为雪崩击穿；ubr <5V时为齐纳击穿；Sr介于5 7V时，两种击穿都有本节小节1. 本征半导体的特性2. 两种杂质半导体的导电机理3. PN结的形成及单向导电性。