§2.1-半导体基础知识习题与答案---9-10教学内容

§2.1-半导体基础知识习题与答案--

2015-9-10

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第2章§2.1半导体基础知识习题与参考答案

2.1 半导体基础知识

2.1.1. 导体、绝缘体和半导体

自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类：一类是导电性能良好的物质叫导体，如银、铜、铝、铁等金属；另一类是在一般条件下不能导电的物质叫绝缘体，如陶瓷、塑料、橡胶、玻璃等；还有一类物质，其导电性能介于导体和绝缘体之间称之为半导体，如硅、锗、砷化镓等。

物质的导电性能之所以不同，根本原因在于构成各种物质的原子结构不同，原子和原子间的结合方式也各不相同。图7.1.1(a)、(b)所示为常见的半导体材料硅和锗的原子结构示意图，它们分别有14个和32个电子，但最外层均为4个价电子。【了解】

半导体导电性能有如下

两个显著特点：

（1）参杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。

（2）敏感性：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

2.1.2 半导体类型及其导电性能

1、半导体类型：

半导体材料可按化学组成，可分为元素半导体（锗Ge ，硅Si 等 ）和化合物半导体（砷化镓GaAs ）；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型可分为N 型半导体和P 型半导体；按其载流子类型可分为电子型半导体和离子型半导体。

2、单晶体和多晶体

日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类，非晶体物质的内部原子排列没有一定的规律，当断裂时断口也是随机的，如塑料和玻璃等。而称之为晶体的物质，外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐的排列起来，所以破裂时也按照一定的平面断开，如食盐、水晶等。

有的晶体是由许许多多的小晶粒组成，若晶粒之间的排列没有规则，这种晶体称之为多晶体，如金属铜和铁。但也有晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种晶体称之为单晶体，如水晶和晶刚石。

只有单晶结构的半导体才适合制作半导体器件。

3. 本征半导体

不含任何杂质的单晶半导体，称为本征半导体。本征半导体的共价键结构如图7.1.2所示。在常温下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱

共价键和原子核对它的束缚，从而成为自由电子(以后简称电子)，同时在原来的位置中留下一个空位，称它为空穴，如图7.1.3所示。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为电子-空穴对。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征激发。

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由于出现了空穴，原来显中性的硅或锗原子就变成了带正电的离子，这个正电荷可以认为是空穴所具有的。空穴既是晶格中少了电子而出现的，那么邻近的共有电子

就可以来填补，这种填补可以认为是空穴携带正电荷在移动。在外电场的作用之下，

本征半导体中的自由电子和空穴都可以携带电荷作定向移动，即形成电子电流和空穴电流。流过半导体的总电流即为这两种电流之和。因为自由电子和空穴都能运载电流，所以把它们统称为载流子。 空穴可看成带正电的载流子。

本征半导体在常温下激发出的电子-空穴对是很少的，所以它的导电能力相当弱。但是，所激发出的电子-空穴对数目将随着温度(外界所给能量)的变化而变化，因此在外加电压一定的情况下，所形成的电流也将随着温度的变化而变化。

常温下，本征半导体所能提供的载流子数目很少，如何提高它们的导电性能呢？

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可以使半导体的导电性能大大提高。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。在杂质半导体中，因掺入元素的不同，可分为两大类即电子半导体(N 型半导体)和空穴半导体(P 型半导体)。

4. N 型半导体(Negative)

在本征半导体硅或锗的晶体内掺入微量的五价元素杂质，如磷，锑等，就形成了

N 型半导体。由于所掺杂质其数量甚微，整体晶体结构基本不变。但晶体点阵中某些

位置的硅原子将被磷原子所取代。磷原子最外层有5个价电子，它以4个价电子与相邻硅原子组成共价键后，还多余1个价电子。这个价电子不受共价键的束缚，通常在常温下即可脱离磷原子而成为自由电子，如图7.1.4所示。能给出多余价电子的杂质称为施主杂质。

磷原子由于丢失1个价电子而成为带正电的磷离子，叫施主离子。正离子数目与电子数目相等，N 型半导体仍然是中性的。磷离子不能移动，不能参与导电。掺入1个磷原子则得到1个正离子和自由电子。由此可见，N 型半导体中自由电子数目可以人为控制，掺入微量磷元素就可以使半导体的自由电子数猛增，但却不增加空穴数量。这点与本征半导体产生电子不同，有1个电子必有一个空穴。相反由于自由电子增多，还增加了空穴被复合的机会，所以使空穴数量反而减少。因此，N 型半导体中自由电子占绝大多数，自由电子为其多数载流子，空穴则为少数载流子。N 型半导体主要靠带负电的电子进行导电。

5．P型半导体

在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。硼原子最外层有3个价电子，掺入后，晶体点阵中某些位置为硼原子所取代，它以3个价电子与周围3个硅原子组成3个完整的共价键，还有1个共价键缺少1个价电子，因而在1个共价键上要出现1个空位，即空穴，如图7.1.5所示。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数。在这种半导体中，以空穴导电为主，故空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。

6

．杂质对半导体导电性能的影响

掺入杂质以后使半导体的导电性能有很大的增强，研究表明，掺入百万分之一的

杂质，可使半导体的载流子数目增加百万倍，所以杂质半导体可被我们用来制作半导

体器件。

2.1.3 PN结及其单向导电性

经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种

半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结，PN结

是构成半导体二极管、半导体三极管和半导体场效应管等器件的基础。

*1.PN结的形成

当P型半导体与N型半导体结合在一起时，由于P型半导体中空穴为多子，N型

半导体中空穴为少子，这样就形成了一个空穴浓度差。由于这个浓度差的存在，在P

区的空穴就要向N区扩散。同理，N区的电子也要向P区扩散。我们把因为浓度差而

造成多数载流子的定向运动称作扩散运动。在扩散的过程中，电子和空穴相遇后复

合，P型半导体在交界附近只剩下不可动的负电荷，N型半导体在交界附近只剩下不

可动的正电荷，于是便在交界面的两侧形成一个空间电荷区，这就是PN结，也称阻

挡层，耗尽层，如图7.2.1所示。

图7.2.1中，PN结的右边带正电，电位较高，左边带负电，电位较低，由此建立

了一个内电场，其方向由N区指向P区。如图7.2.1所示，载流子要扩散到对方去，

就必然要通过此电场。带电体进入电场要受到电场力的作用，空穴带正电，它受到一

个与电场方向相同而与它的扩散方向相反的力；电子带负电，它受到一个与电场方向

相反，也与它的扩散方向相反的力。因此，内电场的建立对多数载流子的扩散运动起

着一个阻碍作用，所以PN结也叫阻挡层，它就象一个壁垒似的，所以又称它为势

垒。阻挡层一方面对多数载流子的扩散运动有阻碍作用，另方面，对两个区的少数载

流子向对方运动却有促进作用，我们把这种在电场力的作用下少数载流子的定向运动

称作漂移运动。

由此可见，在PN结建立过程中，载流子的运动形成有两种，即扩散运动和漂移

运动。刚开始时，扩散运动强于漂移运动，随着空间电荷区的加宽，内电场增强，扩

散运动减弱，而漂移运动增强。直到扩散运动和漂移运动的作用相等时，扩散运动和

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