半導體基本知識

本征半導體

半導體的導電性

根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。

典型的半導體有硅(Si)和鍺(Ge)以及砷化鎵(GaAs)等。

本征半導體是一種完全純凈、結構完整的半導體晶體

在室溫（300K）下，當被束縛的價電子獲得足夠的隨機熱振動能量而掙脫共價鍵束縛成為自由電子時（本征激發），半導體便具備了一定的導電能力。

但與良導體相比，本征硅晶體內自由電子數量較少，因而其導電性能遠不及導體。

空穴

空穴就是價電子掙脫束縛成為自由電子后，共價鍵中留下的空位.

因為空穴表示共價鍵中失去了一個帶負電荷的電子，所以認為其帶有與電子電荷等量的正電荷。

空穴也可以移動，它實際上反映了受束縛的價電子的移動，只是移動方向與價電子移動方向相反。

可以用空穴移動產生的電流來代表價電子移動產生的電流。

空穴的出現是半導體區別于導體的一個重要特點。

載流子的產生與復合

載流子——可以自由移動的帶電粒子。

自由電子和空穴都是載流子

本征激發產生的自由電子和空穴總是成對出現的。

自由電子與空穴相遇時，兩者同時消失，稱為自由電子與空穴的復合

外部環境不變的情況下，載流子的產生與復合達到動態平衡。

當溫度升高時，將產生更多的自由電子和空穴，意味著載流子的濃度升高，晶體的導電能力也會增強。 即本征半導體的電導率將隨溫度的升高而增加。

雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。 摻入的雜質主要是三價或五價元素。 摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。

N型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。

P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。

P型半導體

因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴

在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成； 自由電子是少數載流子， 由熱激發形成

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。 三價雜質因而也稱為受主雜質

N型半導體

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子

在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供； 空穴是少數載流子, 由熱激發形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，以下是一組典型數據:

以上三個濃度基本上依次相差10^6/cm3

'半導體基本知識' 小結：

● 在本征（純凈）半導體中摻入雜質，一方面可以顯著提高半導體的導電能，另一方面可以減小溫度對半導體導電性能的影響。 此時，半導體的導電能力主要取決于摻雜濃度。 在純凈的半導體中摻入受主雜質，可制成 P 型半導體； 而

摻入施主雜質，可制成 N 型半導體。 空穴導電是半導體不同于金屬導體的重要

特點。 注意，這里是用空穴移動產生的電流來代表價電子移動產生的電流。

PN結的形成及特性

PN結的形成

載流子的漂移與擴散

漂移運動：在電場作用下引起的載流子運動

擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子運動

PN結的形成

空間電荷區也稱為耗盡層、勢壘區

在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。 此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡

PN結的單向導電性

外加正向電壓

當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏； 反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

外加正向電壓

削弱了內電場的作用，PN結電阻減小

有利于多數載流子的擴散運動

回路中產生由多數載流子形成的擴散電流，稱為正向電流

外加反向電壓

高電阻、很小的反向漂移電流

外加反向電壓

增強了內電場的作用，PN結電阻增大

阻止多子擴散，有利于少子漂移

回路中產生由少數載流子形成的漂移電流，稱為反向電流

在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流。

PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

PN結的I?V特性

PN結的反向擊穿和電容效應

PN結的反向擊穿

當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN

結的反向擊穿

電擊穿——可逆

熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

反向電壓增大到一定程度

電場足夠強

漂移運動的少子獲得足夠的動能

撞擊出更多的自由電子-空穴對

新的自由電子-空穴對繼續撞擊出更多的自由電子-空穴對

載流子的倍增效應

齊納擊穿

反向電壓增大到一定程度

電場足夠強

破壞共價鍵的束縛，分離出電子，產生大量的自由電子-空穴對

形成較大的反向電流

PN結的電容效應

擴散電容

外加電壓變化

擴散到對方區域在靠近PN結附近累積的載流子濃度發生變化

等效于電容充放電

勢壘電容

外加電壓變化

離子層厚薄變化

等效于電容充放電

PN結的形成及特性小結：

● PN 結是構成半導體二極管和其他半導體器件的基礎，它是由 P 型半導體和 N 型半導體，在不同載流子濃度差異作用下，在交界面處形成的特殊區域。

● 當 PN 結外加正向電壓（正向偏置）時，耗盡區變窄，有較大電流流過； 而當外加反向電壓（反向偏置）時，耗盡區變寬，沒有電流流過或電流極小，這就是半導體二極管的單向導電性，也是二極管最重要的特性。 PN 結還有兩個重要特性：反向擊穿特性和電容效應。