半导体常识

半导体器件基础

本章主要介绍半导体的基本知识和二极管、三极管的结构和工作原理等。

半导体的基本知识

导体、绝缘体和半导体

导体：容易导电的物体。

导体在常温下，其内部就有大量可以自由移动的荷电粒子，因此具有良好的导电性，例如：铜、铝、银、铁等就是导体。

绝缘体：几乎不导电的物体。

绝缘体内几乎没有可以自由移动的荷电粒子，因此几乎不能导电，例如：橡胶、陶瓷、云母、塑料等就是绝缘体。

半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，且随外界条件而显著变化的物体。

例如：锗、硅、砷化镓等就是半导体。

半导体的特点：导电能力受光照、温度和掺杂的影响而发生显著的变化。

半导体的原子结构

半导体材料主要是锗和硅，其原子结构如图所示，硅原子核外共有14个电子，且分布成三层，最外层四

个电子，锗原子核外共有32个电子，分布成四层，最外层也是四个电子。

我们把最外层电子称为价电子，其它层的电子受原子核的束缚很紧，通常与原子核一起成为很难分离的整体，这一整体称为惯性核。因此，原子可看成由惯性核和价电子组成。硅和锗都有四个价电子，它们的惯性核所带正的净电荷量等于四个电子电量，因此硅和锗的原于结构简化模型相同，如图。

共价键结构

半导体材料制成晶体后形成共价键结构。

共价键结构:每个原子的四个价电子不仅受本原子的作用力，而且还分别受相邻四个原子的作用力，使价电子在两个相邻原子的公共轨道上运动。（电子的共有化运动）

共价键中的价电子，被束缚在两个原子之间，不给予额外的能量是不能自由移动的，因此称它们为束缚电子。本征半导体中所有的价电子都在共价健内，所以在绝对零度(T=0K)和无外界激发时，上述硅(锗)晶体中没有自由电子，不能导电。

束缚电子：共价键内的两个电子。

自由电子：获得能量后脱离了共价键的电子。

T=OK时半导体中没有自由电子。

T=300K(常温)时半导体中有少量的自由电子。

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间是由共价键结构所决定。

本征半导体

本征半导体

非常纯净（纯度达99.99999％以上）、结构完整的半导体称为本征半导体。

本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构为共价键结构。

本征激发本征半导体受热和光照时，一些束缚电子获得能量脱离共价键而成为自由电子，并在共价键中产生一些空穴，这种现象称为本征激发。

自由电子─空穴对：本征激发产生的自由电子和空穴成对出现，数量一样多。

半导体中的两种载流子：自由电子和空穴。

由于空穴缺少一个电子的负电荷，于是可把它看成—个带正电荷的粒子，其电量与电子的电量相等。在共有化运动中，空穴附近的价电子很容易受吸引填补到这个空穴上，同时又在填补过来的价电子的原位置上出现一个新的空穴，这样依次填补，其效果就好象空穴的自由移动。所以，从导电的角度看，自由电子是带负电的载流子，而空穴是带正电的载流子。在没有外加电场时，自由电子和空穴的运动都是无规则的；在外加电场的作用下，自由电子和空穴作互相反向的定向运动，同时参

与导电。

复合：自由电子和空穴相遇时恢复共价键，自由电子─空穴对消失。

一方面，本征激发不断产生自由电子一空穴对，另一方面，自由电子与空穴又会在运动中相遇，自由电子填入空穴，恢复非价键，使自由电子一空穴对消失，这现象称为复合。在一定的温度下，如果没有其它外界影响，自由电子一空穴对的产生和复合会达到动态平衡，载流子浓度保持一定数值。我们把本征激发产生的载流子叫做本征载流子；相应地，本征激发的自由电子浓度N i和空穴浓度P i就叫做本征载流子浓度。由于自由电子与空穴是成对出现的，所以在本征半导体中N i＝P i。

本征载流子浓度：N i(T)＝P i(T)＝AT(3/2)e(-Eq/2KT)

T=300K时硅:N i＝P i＝1.4X1010/cm3

硅原子浓度：4.96X1022/cm3

本征载流子浓度与半导体晶体的原子浓度相比是很微小的。

本征载流子浓度N i与半导体材料有关，而且受温度和光照的影响很大。半导体的导电能力随温度的升高而显著增强，就是因为本征载流子浓度随温度的升高而显著增加。

硅:Ｔ每升高８度，N i增大１倍

锗:Ｔ每升高12度，N i增大１倍

杂质半导体

掺有其它元素的半导体，叫做杂质半导体，掺杂后半导体的导电性能大大提高。

由于本征半导体中载流子浓度很小，且受温度影响很大，因此，它们的用途就很有限。要构成二极管、三极管等电子器件，不仅依赖于可得到两种载流子，而且还取决于能否精确地控制自由电子和空穴的相对浓度，使一种载流子的浓度大于另一种载流子的浓度。用掺杂的方法，即在本征半导体中掺入微量的其它元素，就可达到这样的目的。

Ｎ型半导体（电子型）

在硅晶体中掺入少量五价元素磷─施主元素，在组成共价键时，每个磷原子就多出一个价电子，不受共价键束缚而成为自由电子，这个磷原子则成为正离子（不能移动）。

Ｎ型半导体中自由电子数目远大于空穴数目，成为多数载流子，而空穴为少数载流子，主要是自由电子导电。

Ｐ型半导体（空穴型）

在硅晶体中掺入少量三价元素硼──受主元素，在组成共价键时，每个硼原子将少一个价电子而形成一个空穴（载流子），硼原子则成为负离子（不能移动）。

Ｐ型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要是空穴导电。上述分析可知，根据所掺杂质的不同，杂质半导体可分为P型和N 型半导体两大类。在P型半导体中，除含有多数载流子空穴及与其数目相等的受主杂质离子(不能移动的负离子)外，还有本征激发产生的少数电子—空穴对。在N型半导体中，除含有多数载流子电子及与其数目相等的施主杂质离子(不能移动的正离子)外，还有本征激发产生的少数电子—空穴对。

Ｎ型和Ｐ型半导体的导电性能随掺杂浓度而变，但整体仍呈电中性。