常用半导体器件基本知识和类型
常用半导体器件
1.1.2 PN 1. PN 结的形成 在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成 P型半导体,另一边形成N型半导体。 在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,称为空 间电荷区,并产生内电场,其方向是从N区指向P区,内电场 的建立阻碍了多数载流子的扩散运动,随着内电场的加强, 多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交界面形成一个稳 定的特殊的薄层,即PN结。因为在空间电荷区内多数载流 子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电 荷区又称为耗尽层。
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常用半导体器件基 本知识和类型
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• 1.1 半导体基础知识 • 1.2 半导体二极管 • 1.3 晶体三极管 • 1.4 场效应管
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1.1 半导体基础知识
1.1.1 半导体的基础知识 图1.1表示的是由二极管、 灯泡、 限流电阻、 开关 及电源等组成的简单电路。 电路演示如下: 按图1.1(a)所示, 闭合开关S, 灯泡发光, 说明电路导通。 若二极管管脚调换位置, 如图1.1(b)所示, 闭合开关S, 灯泡不发光, 由以上演示结果可知: 二极管具有单向导电性。
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2．半导体的共价键结构 在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都 是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电 子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而 且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面 围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原 子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子 联系在一起,称为共价键结构。如图1.2所示。
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符号相反。由此可见, 本征半导体中存在两种载流子: 电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。 本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相 反而形成的电流方向相同,如图1.5所示。
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＋4
＋4
＋4
原空穴处
由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作 用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电 子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转 移到这个新的空位上,如图1.4所示。为了区别于自由电子 的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为 空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等,
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2. PN结的单向导电特性 在PN结两端外加电压,称为给PN 1) PN 给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电 源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图1.7所示。 由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内 电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多 数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于正向 导通状态。
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＋4
＋4
＋4
由于热激发而产 生的自由电子
＋4
＋4
＋4
自由电子移走后 留下的空穴
＋4
＋4
＋4
图1.3 本征激发产生电子空穴对示意图
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自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空 穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。 我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对 的现象,称为本征激发,又称为热激发。
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空穴。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具 有导电性能。P型半导体共价键结构如图1.6(b)所示。
＋4
＋4
＋4
杂质原子提供 的多余的电子
＋4
＋5
＋4
杂质正离子
＋4
＋4
＋4
(a)
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＋4
＋4
＋4
受主原子
邻近的电子落入受主的 空位留下可移动的空穴
＋4
＋4
＋4
价电子 填补轨迹
＋4
＋4
＋4
现空穴处 图1.4 电子与空穴的移动
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I 自由电子 空穴
U A
图1.5 两种载流子在电场中的运动
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3．杂质半导体 1) N 在纯净的半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素 （如磷）后,就可成为N型半导体,如图1.6(a)所示。在这 种半导体中,自由电子数远大于空穴数,导电以电子为主, 故此类半导体亦称电子型半导体。 2) P 在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质,如 硼（或铟）等。硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子 组成共价键时,因缺少一个电子,
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V
＋ 3V
－
2CZ54C S
H R
V
＋
2CZ54C H
U
3V
－
R
S
(a)
(b)
图 1.1 半导体二极管导电性能的实验
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1． 自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝 缘体、半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之 间。它具有热敏性、光敏性和掺杂性。利用光敏性可 制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性 可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、 不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应 管等。
＋4
＋3
＋4
可移动的空穴
受主获得一个电子
＋4
＋4
＋4
Hale Waihona Puke 而形成一个负离子(b)图1.6 (a)N型半导体；
(b)P型半导体
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在P型半导体中,空穴数远远大于自由电子数,空穴为多 数载流子(简称“多子”),自由电子为少数载流子(简称“少 子”)。导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴型半 导体。
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大块晶体中
的局部结构
＋4
＋4
＋4
两个电子的共价键
＋4
＋4
＋4
正离子核
＋4
＋4
＋4
图1.2 硅和锗的共价键结构
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当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价 电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得 一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由 电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这 个空位称为空穴,如图1.3所示。