_第6章 电子技术中常用半导体器件

应注意： 应注意：
不论是N型半导体还是 型半导体 不论是 型半导体还是P型半导体，虽然 型半导体还是 型半导体， 都有一种载流子占多数， 都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的 负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。 正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。 第3页 页
3. PN结 PN结
P型和 型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在 型或 型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件 通常是在N型或 型和 型半导体并不能直接用来制造半导体器件。 P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为 型或 型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质， 型或N 型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质 使其变为P型或 型半导体， 型和N型半导体的交界面就会形成 型半导体，在P型和 型半导体的交界面就会形成 结。 型和 型半导体的交界面就会形成PN结
本征半导体中产生电子—空穴对的现象称为本征激发。 本征半导体中产生电子 空穴对的现象称为本征激发。 空穴对的现象称为本征激发
共价键中失去电子出现空穴时， 共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价 电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空 穴中来， 穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现 一个空穴， 一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填 再出现空穴，如右图所示。 补，再出现空穴，如右图所示。 显然在外电场的作用下， 显然在外电场的作用下，半导体中将出现两 部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子 部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子 电流，一是仍被原子核束缚的价电子（ 电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由 电子）递补空穴形成的空穴电流 空穴电流。 电子）递补空穴形成的空穴电流。
正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向 区的电场 称为内电场 内电场， 正负空间电荷在交界面两侧形成一个由 区指向P区的电场，称为内电场，它对 区指向 区的电场， 多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层 同时， 阻挡层。 多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。同时，内电场对 少数载流子起推动作用， 少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动 漂移运动。 少数载流子起推动作用，把少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。
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半导体二极管 特殊二极管 双极型二极管 单极型三极管
6.1 半导体的基本知识
物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和 物质按导电能力的不同可分为导体、 绝缘体3 日常生活中接触到的金、 绝缘体3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝 等金属都是良好的导体，它们的电导率在10 等金属都是良好的导体，它们的电导率在105S·cm-1 量级；而像塑料、云母、 量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质 称为绝缘体，它们的电导率在10 称为绝缘体，它们的电导率在10-22~10-14S·cm-1量级 ；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导 它们的电导率在10 量级。 体，它们的电导率在10-9~102S·cm-1量级。自然界中 属于半导体的物质有很多种类， 属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导 体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体， 体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要 有硅(Si)、 (Ge)和砷化镓 GaAs)等 和砷化镓（ 有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓（GaAs)等。
N型半导体
在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元 在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元 杂质原子就替代了共价键中某些硅原子的位置， 了共价键中某些硅原子的位置 素，杂质原子就替代了共价键中某些硅原子的位置，杂 质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键， 质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下 的一个价电子处在共价键之外， 的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的 束缚被激发成自由电子。 束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电 子而变成带正电荷的离子， 子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构 不能移动，所以它不参与导电。 中，不能移动，所以它不参与导电 杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子， 杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子， 因此与本征激发不同，它不会产生空穴。 因此与本征激发不同，它不会产生空穴 由于多余的电子是杂质原子提供的， 由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子 称为施主原子 施主原子。 称为施主原子。
掺入五价元素的杂质半导体， 自由电子的浓度远远大于空穴的浓度， 掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称 电子型半导体 也叫做N 半导体。 半导体， 为电子型半导体，也叫做N型半导体。
载流子（ ），空穴为少数 半导体中，自由电子为多数载流子 简称多子），空穴为少数载 在N型半导体中，自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载 流子（简称少子）；不能移动的离子带正电 ）；不能移动的离子带正电。 流子（简称少子）；不能移动的离子带正电。 第3页 页
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当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时， 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键 中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自 因热激发而获得足够的能量 中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自 由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴” 由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴” 。
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1. 半导体的独特性能
半导体之所以得到广泛的应用，是因 半导体之所以得到广泛的应用， 为它具有以下特性。 为它具有以下特性。 （1）通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。 通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。 例如，室温30° 例如，室温30°C时，在纯净锗中掺入一亿分之一的 杂质（称掺杂），其电导率会增加几百倍。 ），其电导率会增加几百倍 杂质（称掺杂），其电导率会增加几百倍。 温度可明显地改变半导体的电导率。 （2）温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种 热敏效应可制成热敏器件，但另一方面， 热敏效应可制成热敏器件，但另一方面，热敏效应使 半导体的热稳定性下降。因此， 半导体的热稳定性下降。因此，在半导体构成的电路 中常采用温度补偿及稳定参数等措施。 中常采用温度补偿及稳定参数等措施。 光照不仅可改变半导体的电导率， （3）光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生 电动势，这就是半导体的光电效应。 电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可 制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。 制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。 光电池已在空间技术中得到广泛的应用， 光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用 太阳能提供了广阔的前景。 太阳能提供了广阔的前景。
PN结是构成各种半导体器件的基础。 PN结是构成各种半导体器件的基础 结是构成各种半导体器件的基础。
左图所示的是一块晶片，两边分别形成 左图所示的是一块晶片，两边分别形成P 型和N型半导体 为便于理解，图中P区仅 型半导体。 型和 型半导体。为便于理解，图中 区仅 画出空穴（多数载流子） 画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的 三价杂质负离子， 区仅画出自由电子 区仅画出自由电子（ 三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多 数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离 数载流子） 根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区 子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的 区 区扩散， 区向P 向N区扩散，自由电子要从浓度高的 区向 区扩散 自由电子要从浓度高的N区向 区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形 耗尽）， 区扩散，并在交界面发生复合 耗尽），形 成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区 这就是PN结 又叫耗尽层 耗尽层。 域，这就是PN结，又叫耗尽层。
硅和锗 的简化 原子模 型。 这是硅和锗构成的 共价键结构示意图 晶体结构中的 共价键具有很强的 结合力， 结合力，在热力学 零度和没有外界能 量激发时， 量激发时，价电子 没有能力挣脱共价 键束缚， 键束缚，这时晶体 中几乎没有自由电 子，因此不能导电
一般情况下， 一般情况下，本征半导体中的载流子浓度 很小，其导电能力较弱， 很小，其导电能力较弱，且受温度影响很 不稳定，因此其用途还是很有限的。 大，不稳定，因此其用途还是很有限的。
空穴 自由 电子
在半导体中同时存在自由电子 空穴两种载流子 自由电子和 在半导体中同时存在自由电子和空穴两种载流子 两种 参与导电， 参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有 本质上的区别。 本质上的区别。
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（2）杂质半导体
相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。 相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少， 因此导电能力仍然很低。 在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化， 在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些 掺入杂质的半导体称为杂质半导体 杂质半导体可以分为N 杂质半导体。 两大类。 掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体可以分为N型和P型两大类。
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由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不 由此可以看出： 而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性， 同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性， 使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。 使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。 2. 本征半导体与杂质半导体 天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为本征半导体 （1）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为本征半导体
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PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条 结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。 结中的扩散和漂移是相互联系 例如温度一定） 多数载流子的扩散运动逐渐减弱， 件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数 载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡， 载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷 区的宽度基本稳定下来， 结就处于相对稳定的状态 结就处于相对稳定的状态。 区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。