第1章 半导体器件76274

▪ 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。
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”
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。
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。
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。
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。
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）
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）。
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。
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。
▪ PN结加正向电压时，呈现较小的正向电阻，形成较大的
此时，本征半导体具有了一定的导电能力，但由于自 由电子的数量很少，所以它的导电能力比较微弱。同 时，在原来的共价键中留下一个空位，这种空位称为 空穴。
▪ 空穴因失掉一个电子而带正电。由于正负电的相互吸
引作用，空穴附近共价键中的价电子会来填补这个空位， 于是又会产生新的空穴，又会有相邻的价电子来填补， 如此进行下去就形成了空穴移动，如图1.3所示
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。
▪ 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）。
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。
Leabharlann Baidu1.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”。
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。
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
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。
图1.7 PN结的形成
空间电荷区中的正、负离子之间形成一个内电场，方向 是由N型区指向P型区。内电场对两边多子的进一步扩 散起阻挡作用，所以空间电荷区也称为“阻挡层”。
内电场可以使两边的少子产生漂移运动。漂移运动的方 向与扩散运动相反。扩散运动使空间电荷区加宽，内电 场增强，于是扩散阻力增大；漂移运动使空间电荷区变 窄，内电场减弱，使扩散容易进行。
图1.11 二极管的结构和符号
二极管的类型很多，按制造材料来分，有硅二极管和锗 二极管；按二极管的结构来分，主要有点接触型和面接 触型。
1. 点接触型
其结构如图1.11（a）所示。它是用一根细金属丝压在晶 片上，在接触点形成PN结。由于它的结面积小，因而不 能通过较大的电流，但结电容小，适用于高频检波及小 电流高速开关电路中。
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。
N型区的电子向P型区扩散，并与P型区的空穴复合， 使P型区失去空穴而留下不能移动的带负电的离子。
P型区的空穴也要向N型区扩散，并与N型区的电子复 合，使N型区失去电子而留下带正电的离子。这些正、 负离子所占的空间称作“空间电荷区”。
由于空间电荷区内缺少可以自由运动的载流子，所以 又称“耗尽层”，如图1.7所示。
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。
第1章 半导体器件
本章主要内容
(1)半导体基础知识 (2）半导体二极管 （3）双极型晶体管 （4）场效应晶体管
1.1 半导体基础知识
1.1.1 半导体的导电特性
自然界中的物质，按其导电能力的强弱可分为导体、半导 体和绝缘体三种类型。半导体的导电能力介于导体和绝缘 体之间。
导体一般为低价元素，例如银、铜等金属材料都是良好的 导体，它们的原子结构中的最外层电子极易挣脱原子核的 束缚而成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动， 形成电流。
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。