第1章 半导体器件76274

由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。N型 半导体主要靠施主原子提供的电子导电，掺入的杂质 原子越多，自由电子的浓度也就越高，导电性能就越 强。
（2） P型半导体
如果在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的3价杂质元 素（如硼B、铝Al、镓Ga等），则原来晶格中的某些 硅原子的位置将被杂质原子所代替，就形成了P型半导 体。由于这种杂质原子最外层有3个价电子，在与周围 4个硅原子形成共价键时，就产生了一个空穴，如图 1.5所示。
雪崩击穿是指PN结内作漂移运动的少数载流子受强电 场的加速作用可获得很大的能量，当它与PN结内的原 子碰撞时，把其中的价电子碰撞出来，产生新的电子空穴对。新的电子-空穴对在强电场的作用下，再去碰 撞其他原子，产生更多的电子-空穴对，如同雪崩一样。
齐纳击穿发生在高浓度掺杂的PN结中。由于杂质浓度 高，所以形成的PN结很窄，即使外加反向电压并不很 高，结内电场强度就很强，它可以把结内的束缚电子 从共价键中拉出来引起反向电流的剧增。
当二极管两端的电压超过一定数值即阈值电压后（如 图1.12中②所指部分），内电场被大大削弱，二极管 的电阻变得很小，于是电流增长很快。
PN结是构成各种半导体器件的基础。
1. PN结的形成
在N型半导体和P型半导体的交界处存在着较大的电子和 空穴浓度差。N型区中的电子要向P型区扩散，P型区中的 空穴要向N型区扩散。如图1.6所示，靠近交界处的箭头表 示了两种载流子的扩散方向。
图1.6 多子的扩散运动
带电粒子的扩散不会无限制地进行下去，因为带电粒 子一旦扩散到对方就会发生复合现象，从而使电子和 空穴因复合而消失。
1.本征半导体
▪ 将硅和锗这样的半导体材料经一定的工艺高纯度提炼
后，其原子排列将变成非常整齐的状态，称为单晶体， 也称本征半导体。
▪ 在本征半导体中，每个原子与相邻的4个原子结合，每
一原子的4个价电子分别为相邻的4个原子所共有，组 成所谓共价键结构，如图1.2所示。
图1.2 共价键结构示意图
共价键中的电子不像绝缘体中的价电子被束缚得那样 紧。一些价电子获得一定能量（如温度升高或被光照） 后，可以克服共价键的束缚而成为自由电子，这种现 象称为电子“激发”。
▪ PN结导通时的结压降只有零点几伏，所以应在它所在的
回路中串联一个电阻，以限制回路中的电流，防止PN结 因正向电流过大而损坏。
▪ 当电源的正极接N区，负极接P区，称为“加反向电压”
或“反向偏置”，如图1.9所示。
▪ 反向偏置时，外加电场与内电场方向相同，外电场将N
区和P区的多数载流子拉向电源电极方向，使空间电荷 区变宽，内电场增加，阻止扩散运动的进行，而加剧漂 移运动的进行，形成反向电流（也称漂移电流）。
需要指出，发生上述两种击穿后，只要反向电流的热 效应不致损坏PN结，当反向电压降到击穿电压以下时， PN结的性能仍可恢复。
1.2半导体二极管
1.2.1 二极管的结构与分类
如果在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起 来，便构成一只半导体二极管，简称二极管。
由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极 为阴极或负极。常见的二极管的结构及符号表示如图 1.11所示。
由于这种杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与周围 硅原子形成共价键，因此还多出一个电子。这个多出的 电子由于不受共价键的束缚便成为可以导电的自由电子， 而杂质原子成为不可移动的正离子，如图1.4所示。
图1.4 N型半导体结构
在N型半导体中，自由电子的浓度将远远高于空穴的 浓度，因此自由电子称为多数载流子（简称多子）， 而其中的空穴称为少数载流子（简称少子）。
正向电流，PN结处于导通状态；PN结加反向电压时，呈 现很大的反向电阻，流过很小的反向电流，PN结近似于 截止状态。
▪ 这种只允许一个方向电流通过的特性称为PN结的单向导
电性。
3. PN结的伏安特性
▪ 式1-1给出了流过PN结的电流I与PN结两端电压U之间
的关系式 I=IS(eU/UT-1)
（1-1）
▪ 式中，IS为反向饱和电流；UT是温度的电压当量，在 常温（300K）下，UT=26mV。
▪ 把式（1-1）绘成曲线，如图1.10所示，称为PN结的伏 安特性曲线。
图1.10 PN结的伏安特性曲线
当PN结加正向电压时，在U大于UT几倍以后，式（1-1） 中eU/UT>>1，于是I≈ISeU/UT，表明正向电流I随电压 U呈指数规律增加，如图中OA段，这段曲线称为PN结 的正向伏安特性。
为了简便起见，常用带+4电荷的正离子和周围的4个价 电子来表示一个4价元素的原子，如图1.1（c）所示。
图 1.1 硅和锗的原子结构示意图
硅和锗的最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核 的束缚，也不像绝缘体那样被原子核所紧紧束缚，所 以其导电性介于导体和绝缘体之间，呈现出典型的半 导体导电特性。
图1.3 空穴和自由电子
半导体中存在着两种运载电荷的粒子，称为载流子， 即带负电的自由电子和带正电的空穴。在本征半导体 中，自由电子和空穴总是成对产生，成为电子-空穴对， 所以两种载流子浓度是相等的。
在室温条件下，本征半导体中载流子的数目很少，所 以导电性能较差。温度升高时，载流子浓度将按指数 规律增加。
2. 杂质半导体
若在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就能显著地 改善半导体的导电性能。根据所掺杂质的不同，掺杂 后 的 半 导 体 可 分 为 N （ Negative ） 型 半 导 体 和 P （Positive）型半导体两种。
（1） N型半导体
如果在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的5价杂质元 素（如磷P、砷As、锑Sb等），则原来晶格中的某些 硅原子的位置将被杂质原子所代替，就形成了N型半 导体。
当相邻硅原子的外层电子由于热运动填补此空穴时， 杂质原子成为不可移动的负离子，同时在硅原子的共 价键中又产生了一个新的空穴。
图1.5 P型半导体结构
在P型半导体中，空穴的浓度将远远高于自由电子的浓 度，因此空穴为多子，而其中的自由电子为少子。由 于杂质原子中形成的空穴可以吸收电子，故称这样的 杂质原子为受主原子。
2. 面接触型
其结构如图1.11（b）所示。它用合金法做成较大接触 面积，允许通过较大电流，但结电容较大，只适用于 低频及整流电路中。
3. 平面型
其结构如图1.11（c）所示。它用二氧化硅作保护层， 使PN结不受污染，从而大大地减小了PN结两端的漏 电流，因此，它的质量较好。其中结面积大的作大功 率整流管，结面积小的作高频管或高速开关管。
当PN结加反向电压时，U＜0，在|U|大于UT几倍后，式 （1-1）中的eU/UT→0，于是I≈-IS，即反向电流基本上 是一个不随外加电压变化而变化的常数，如图中的OB 段，这段曲线称为PN结的反向伏安特性。
4. PN结的击穿
当加于PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电流 突然急剧增大，如图1.10中的BE段所示，这种现象称 为PN结的反向击穿。对应于电流开始剧增的反向电压 UBR，称为击穿电压。PN结的击穿分为“雪崩击穿” 和“齐纳击穿”两种类型。来自1.2.2二极管的伏安特性
二极管的特性实际上是PN结特性，考虑到引线电阻及 表面漏电流等因素的影响，实测的二极管伏安特性与 PN结伏安特性存在一定偏差。
图1.12是实测二极管伏安特性曲线，该特性曲线可以分 为正向特性和反向特性两部分。
图1.12 二极管伏安特性
1. 正向特性
当二极管两端加很低的正向电压时（如图1.12中①所 指部分），外电场还不能克服PN结内电场对多数载流 子扩散运动所形成的阻力，因此这时的正向电流仍很 小，二极管呈现的电阻较大。
或“正向偏置”，如图1.8所示。这时外加电场方向与 内电场方向相反，外电场将P区和N区的多数载流子推 向空间电荷区，使其空窄，削弱了内电场，破坏了原 来的平衡，使扩散运动加剧，而漂移运动减弱。
▪ 由于电源的作用，扩散运动源源不断地进行，从而形
成正向电流，PN结导通。 图1.8 PN结外加正向电压时导通
当扩散运动和漂移运动作用相等时，便处于动态平衡状 态，空间电荷区不再扩大，这种动态平衡状态下的空间 电荷区就是PN结。
2. PN结的单向导电性
▪ 如果在PN结两端外加电压，将破坏其原来的平衡状态。
当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电 性能，即呈现出单向导电性。
▪ 当电源的正极接P区，负极接N区，称为“加正向电压”
高价元素（如隋性气体）或高分子物质（如橡胶），它们 的原子结构中的最外层电子极难挣脱原子核的束缚成为自 由电子，其导电性极差，称为绝缘体。
常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）等，硅原子 中共有14个电子围绕原子核旋转，最外层轨道上有4个 电子，如图1.1（a）所示。
原子最外层轨道上的电子通常称为价电子，因此硅为4 价元素。锗原子中共有32个电子围绕原子核旋转，最 外层轨道上的电子数也为4个，如图1.1（b）所示，所 以锗也为4价元素。
P型半导体主要靠受主原子提供的空穴导电，掺入的杂 质原子越多，空穴的浓度就越高，导电性能就越强。
N型半导体和P型半导体虽然各自都有一种多数载流子， 但在整个半导体中正、负电荷数是相等的，即从总体 上看，仍然保持着电中性。
1.1.2 PN结及其单向导电特性
在一块本征半导体上，一边掺入施主杂质，使之成为N型 半导体，另一边掺入受主杂质，使之成为P型半导体，那 么在N型和P型半导体的交界面附近，就会形成具有特殊 物理性能的PN结。
图1.9 PN结外加反向电压时截止
▪ 反向电流是由少数载流子的漂移运动形成的，当温度不变
时，少数载流子的浓度不变，反向电流在一定范围内将不
随外加电场的大小而变化，所以常把反向电流称为“反向 饱和电流”。
▪ 由于少数载流子数目极少，所以反向电流近似为零，可以
认为PN结反向偏置时处于截止状态。