半导体的基础知识

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一、物理基础

    所有物质按照导电能力的差别可分为导体、半导体和绝缘体三类。半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。或者说，半导体是介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有：元素半导体硅(Si)和锗(Ge)、化合物半导体砷化镓(GaAs)等。导体的电阻率在10-4Ω•cm以下，如铜的电阻率为1.67×10-6 Ω•cm，绝缘体的电阻率在1010 Ω•cm以上，半导体的电阻率在10-3Ω•cm～109Ω•cm之间，与导体的电阻率相比较，半导体的电阻率有以下特点。
    1.对温度反映灵敏
    导体的电阻率随温度的升高略有升高，如铜的电阻率仅增加0.4%左右，但半导体的电阻率则随温度的上升而急剧下降，如纯锗，温度从20℃上升到30℃时，电阻率降低一半左右。
    2.杂质的影响显著
    金属中含有少量杂质其电阻率不会发生显著变化，但是，极微量的杂质掺在半导体中，会引起电阻率的极大变化。如在纯硅中加入百万分之一的硼，就可以使硅的电阻率从2.3×105 Ω•cm急剧减少到0.4 Ω•cm左右。
    3.光照可以改变电阻率
    例如，有些半导体(如硫化镉)受到光照时，其导电能力会变得很强；当无光照时，又变得像绝缘体那样不导电，利用这种特性可以制成光敏元件。而金属的电阻率则不受光照的影响。
    温度、杂质、光照对半导体电阻率的上述控制作用是制作各种半导体器件的物理基础。

二、本征半导体

    完全纯净的、具有完整晶体结构的半导体，称为本征半导体。
    硅或锗是四价元素，其最外层电子轨道上有四个价电子。在本征半导体的晶体结构中，相邻两个原子的价电子相互共有，即每个原子的四个价电子既受自身原子核的束缚，又为相邻的四个原子所共有；每两个相邻原子之间都共有一对价电子。这种组合方式称为共价键结构，图5-1为单晶硅共价键结构的平面示意图。
    在共价键结构中，每个原子的最外层虽然具有八个电子而处于较为稳定的状态，但是共价键中的价电子并不像绝缘体中的电子被束缚得那样紧，在室温下，有极少数价电子由于热运动能获得足够的能量而脱离共价键束缚成为自由电子。
    当一部分价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下相应的空位，这个空位被称为空穴。原子因失去一个价电子而带正电，也可以说空穴带正电。在本征半导体中，电子与空穴总是成对出现的，它们被称为电子空穴对，如图5-2所示。

图5-1 单晶硅中的共价键结构                                 图5-2 电子空穴对的形成

    如果在本征半导体两端加上外电场，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子将产生定向移动，形成电子电流；一是由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，亦即空穴也会产生定向移动，形成空穴电流。所以说，半导体中同时存在着两种载流子(运载电荷的粒子为载流子)——电子和空穴，这是半导体导电的特殊性质，也是半导体与金属在导电机理上的本质区别。

三、杂质半导体

    在本征半导体中，如果掺入微量的杂质(某些特殊元素)，将使掺杂后的半导体(杂质半导体)的导电能力显著改变。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为电子型半导体(N型)和空穴型半导体(P型)两大类。
    1.N型半导体
    若在纯净的硅晶体中掺入微量的五价元素(如磷)，这样，硅原子占有的某些位置会被掺入的微量元素(如磷)原子所取代。而整个晶体结构基本不变。磷原子与硅原子组成共价键结构只需四个价电子，而磷原子的最外层有五个价电子，多余的那个价电子不受共价键束缚，只需获得很少的能量就能成为自由电子。由此可见，掺入一个五价元素的原子，就能提供一个自由电子。必须注意的是，产生自由电子的同时并没有产生空穴，但由于热运动原有的晶体仍会产生少量的电子空穴对。所以，只要在本征半导体中掺入微量的五价元素，就可以得到大量的自由电子，且自由电子数目远比掺杂前的电子空穴对数目要多得多。这种以自由电子导电为主要导电方式的杂质半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。N型半导体中存在着大量的自由电子，这就提高了电子与空穴的复合机会，相同温度下空穴的数目比掺杂前要少。所以，在N型半导体中，电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少子)，如图5-3(a)所示。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质浓度越高，自由电子数目越大，导电能力也就越强。
    在N型半导体中，一个杂质原子提供一个自由电子，当杂质原子失去一个电子后，就变为固定在晶格中不能移动的正离子，但它不是载流子。因此，N型半导体就可用正离子和与之数量相等的自由电子去表示，如图5-3(b)所示。其中也有少量由热激发产生的电子空穴对。

图5-3 单晶硅中掺五价元素形成N型半导体

2.P型半导体
    在纯净的硅(或锗)晶体内掺入微量的三价元素硼(或铟)，因硼原子的最外层有三个价电子，当它与周围的硅原子组成共价键结构时，会因缺少一个电子而在晶体中产生一个空穴，掺入多少三价元素的杂质原子，就会产生多少空穴。因此，这种半导体将以空穴导电为其主要导体方式，称为空穴型半导体，简称P型半导体。所以，P型半导体是空穴为多子，电子为少子的杂质半导体，如图5-4(a)所示。必须注意的是，产生空穴的同时并没有产生新的自由电子，但原有的晶体仍会产生少量的电子空穴对。

图5-4 单晶硅中掺三价元素形成P型半导体

    P型半导体中，一个三价元素的杂质原子产生一个空穴，杂质原子产生的空穴很容易被相邻共价键中的电子来填补，这样，杂质原子就会因获得一个电子而带负电荷，成为带有负电荷的杂质离子。因此，P型半导体可以用带有负电荷而不能运动的杂质离子和与之数量相等的空穴去表示。其中有少量由热激发产生的电子空穴对。如图5-4(b)所示。P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质浓度越高，空穴数目越大，导电能力也就越强。
    从以上分析可知，不论是N型半导体还是P型半导体，它们的导电能力是由多子的浓度决定的。可以认为，多子的浓度约等于掺杂原子的浓度，它受温度的影响很小。

四、 PN结

    在一块硅片上采用不同的掺杂工艺，一边形成N型半导体，一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界面附近形成PN结；PN结是构成各种半导体器件的基础。
    1.PN结的形成 （ ）
    在一块硅或锗的晶片上，采取不同的掺杂工艺，分别形成N型半导体区和P型半导体区。由于N区的多数载流子为电子(即电子浓度高)，少子为空穴(空穴浓度低)，而P区正相反，多数载流子为空穴(即空穴浓度高)，少子为电子(电子浓度低)；在P区与N区的交界面两侧，由于浓度的差别，空穴要从浓度高的P区向浓度低的N区扩散，N区的自由电子要向P区扩散，由于浓度的差别而引起的运动称为扩散运动。这样，在P区就留下了一些带负电荷的杂质离子，在N区就留下了一些带正电荷的杂质离子，从而形成一个空间电荷区。这个空间电荷区就是PN结。在空间电荷区内，只有不能移动的杂质离子而没有载流子，所以空间电荷区具有很高的电阻率。如图5-5所示。

图5-5 PN结的形成

    空间电荷区形成了一个从带正电荷的N区指向带负电荷的P区的电场，称为内电场。显然，不论是P区的多子空穴，还是N区的多子电子，在扩散过程中通过空间电荷区时，都要受到内电场的阻力。内电场阻止多数载流子的继续扩散。因此，随着扩散运动的进行，空间电荷区将不断变宽，内电场将不断加强，扩散运动将不断减弱。另一方面，由于内电场的存在，使少子产生漂移运动；P区少数载流子电子向N区漂移，N区的少数载流子空穴向P区漂移；少数载流子在内电场作用下产生的定向运动称为漂移运动。不论是P区的少子电子，还是N区的少子空穴，在内电场作用下向对方漂移的结果，都会导致空间电荷区变窄，内电场削弱。
    由此可见，在P区与N区的交界面进行着两种相反的运动，即扩散运动和漂移运动；开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的进一步进行，内电场不断加强，迫使扩散运动逐渐减弱。随后，内电场的加强更有利于少数载流子的漂移运动。而在一定温度下，少子的数目是有限的，所以在交界面进行的两种相反的运动——扩散与漂移，最终会达到动态平衡。这时，空间电荷区的宽度将不再变化，内电场将为某一稳定的值。
    2.PN结的单向导电性
    若在PN结两端外加电压，将会破坏PN结原有的平衡。如图5-6(a)所示，P区接电源正极，N区接电源负极，由于外电场的方向与内电场的方向相反，在外电场的作用下，P区的空穴要向N区移动，与一部分杂质负离子中和，同样，N区的电子也要向正空间电荷区移动，与一部分杂质正离子中和。结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多数载流子的扩散运动，形成较大的正向电流。在一定范围内，外加电压越高，外电场越强，空间电荷区就越窄，扩散运动所形成的正向电流也越大。因此，加正向电压时，PN结呈低电阻而处于导通状态。空穴与电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们运动的方向相反，形成的电流方向是一致的，PN结的正向电流为空穴电流和电子电流两部分之和。电流方向由P区指向N区。
    若外接电压方向相反，即如图5-6(b)所示，N区接电源正极，P区接电源负极，则外电场方向与内电场方向一致。外电场加强了内电场，结果阻止多子的扩散，有利于少子的漂移运动。使空间电荷增加，空间电荷区变宽。P区的少子电子和N区的少子空穴都会向对方漂移而形成反向电流(由N区指向P区)。因少数载流子的数量很少，所以反向电流一般很小。但由于少数载流子的数目受温度的影响很大，温度越高，少数载流子的数目就越多，反向电流就会相应增大。因此，在PN结外加反向电压时，PN结呈高阻状态而处于反向截止。

图5-6 PN结加正向电压与加反向电压

    由此看来，PN结正向电阻较小，反向电阻很大，具有单向导电性。但反向电流受温度的影响很大。
    3.PN结方程
    根据理论分析，PN结两端电压和流经PN结的电流之间有如下关系

    式中， I_s是反向饱和电流，U_T = kT/q是温度电压当量，T是热力学温度，q是电子的电量，在T为300 K时，U_T≈26 mV。
    4.PN结的反向击穿
    PN结处于反向偏置时，在一定范围的反向电压作用下，流过PN结的电流是很小的反向饱和电流。但当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。

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PN结

在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就形成了一个ＰＮ结。

ＰＮ结的形成

（1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结，如图1所示。

 

（2）在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。

（3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场，如图2所示。

 

（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。

（5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。

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ＰＮ结的单向导电性

PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。

（1）外加正向电压（正偏）

当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图3所示。由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流IF。而且IF 随着正向电压的增大而增大。

 

（2）外加反向电压（反偏）

当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多子（空穴）和N区的多子（自由电子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流IR。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时，就可认为PN结处于截止状态。值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子一空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。

综上所述，PN结正偏时，正向电流较大，相当于PN结导通，反偏时，反向电流很小，相当于PN结截止。这就是PN结的单向导电性。

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PN结的伏安特性

伏安特性曲线：加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线，如图4所示。u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。它直观形象地表示了PN结的单向导电性。

 

式中 iD——通过PN结的电流

vD——PN结两端的外加电压

VT——温度的电压当量，VT = kT/q = T/11600 = 0.026V，其中k为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K），T为热力学温度，即绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10–19C）。在常温下，VT ≈26mV。

e——自然对数的底

Is——反向饱和电流，对于分立器件，其典型值为10-8~10-14A的范围内。集成电路中二极管PN结，其Is值则更小.

 

由此可看出PN结的单向导电性。

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PN结的击穿特性

当PN结上加的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结的反向击穿。PN结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用VB表示。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。

（1）雪崩击穿

当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时，将原子电离，产生新的"电子一空穴对"。这些新的"电子一空穴对"，又被强电场加速再去碰撞其它原子，产生更多的"电子一空穴对"。如此链锁反应，使结内载流子数目剧增，并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本质是碰撞电离。

（2）齐纳击穿

齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高，PN结很窄，这样即使施加较小的反向电压（5V以下），结层中的电场却很强（可达 左右）。在强电场作用下，会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成"电子一空穴对"，从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。采取适当的掺杂工艺，将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8～1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5～8V之间两种击穿可能同时发生。

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PN结的电容效应

PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。

(1)势垒电容CB

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图5。

 

(2)扩散电容CD

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。

当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。

 

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3.二极管的基本应用电路

（1）限幅电路---利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成。 
             
（2）箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。

             
　　 注：黑色---输入信号，蓝色---输出信号，波形为用ＥＷＢ仿真结果。