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第一章半导体器件1.1半导体基础知识1.2PN结1.3半导体三极管

1.1半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素,如铜、铁、铝等金属,其最外层电子受原子核的束缚力很小,因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下,这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流,呈现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶,塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强,极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子,所以其导电性极差,可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚,成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因此,半导体的导电特性介于二者之间。

1.1.1本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗,它们都是四价元素,在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。为便于讨论,采用图1-１所示的简化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时,相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子,它们一方面围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用,同时还受到相邻原子核的吸引。于是,两个相邻的原子共有一对价电子,组成共价键结构。故晶体中,每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图１-２所示。

图1–1硅和锗简化原子结构模型

图1–2本征半导体共价键晶体结构示意图

共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量,其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子,同时必然在共价键中留下空位,称为空穴。空穴带正电,如图1-３所示。图1–3本征半导体中的自由电子和空穴

由此可见,半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中,自由电子与空穴是同时成对产生的,因此,它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度,即ni=pi,下标i表示为本征半导体。

价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量,与空穴相遇,使电子、空穴对消失,这种现象称为复合。在一定温度下,载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是一定的。本征半导体中载流子的浓度,除了与半导体材料本身的性质有关以外,还与温度有关,而且随着温度的升高,基本上按指数规律增加。因此,半导体载流子浓度对温度十分敏感。对于硅材料,大约温度每升高８℃,本征载流子浓度ni增加1倍；对于锗材料,大约温度每升高１２℃,ｎｉ增加1倍。除此之外,半导体载流子浓度还与光照有关,人们正是利用此特性,制成光敏器件。

1.1.2杂质半导体1.Ｎ型半导体在本征半导体中,掺入微量５价元素,如磷、锑、砷等,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有５个价电子,因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束缚,而只受自身原子核的束缚,因此,它只要得到较少的能量就能成为自由电子,并留下带正电的杂质离子,它不能参与导电,如图１-４所示。显然,这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度,即nnpn(下标ｎ表示是Ｎ型半导体),主要靠电子导电,所以称为Ｎ型半导体。由于５价杂质原子可提供自由电子,故称为施主杂质。Ｎ型半导体中,自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。

图1-4N型半导体共价键结构

杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度。由于少数载流子是半导体材料共价键提供的,因而其浓度主要取决于温度。此时电子浓度与空穴浓度之间,可以证明有如下关系：即在一定温度下,电子浓度与空穴浓度的乘积是一个常数,与掺杂浓度无关。

2.P型半导体在本征半导体中,掺入微量３价元素,如硼、镓、铟等,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层只有３个价电子,当它和周围的硅(锗)原子组成共价键时,因为缺少一个电子,所以形成一个空位。其它共价键的电子,只需摆脱一个原子核的束缚,就转至空位上,形成空穴。因此,在较少能量下就可形成空穴,并留下带负电的杂质离子,它不能参与导电,如图１-５所示。显然,这种杂质半导体中空穴浓