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半导体基础知识及PN节

作者:dolphin时间:2011-05-03

在我们的日常生活中,经常看到或用到各种各样的物体,它们的性质是各不相同的。有些物体,如钢、银、铝、铁等,具有良好的导电性能,我们称它们为导体。相反,有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电,我们称它们为绝缘休(或非导体)。还有一些物体,如锗、硅、砷化稼及大多数的金属氧化物和金属硫化物,它们既不象导体那样容易导屯,也不象绝缘体那样不易导电,而是介于导体和绝缘体之间,我们把它们叫做半导体。绝大多数半导体都是晶体,它们内部的原子都按照一定的规律排列着。因此,人们往往又把半导体材料称为晶体,这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。
物体的导电性能常用电阻率来表示。所谓电阻率,就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小,越容易导电;反之,电阻率越大,越难导电。
导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时,半导体的电阻率变化却很激烈;每升高1℃,它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此,当温度较高时,整体电阻甚至下降到很小,以致变成和导体一样。
在金属或绝缘体中,如果杂质含量不超过干分之一,它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例,只要含杂质一千万分之一,电阻率就下降到原来的十六分之一。

锗是典型的半导体元素,是制造晶体管的一种常用材料(注:当前的半导体元器件生产以硅Silicon材料为主)。现以锗为例来说明如何会在半导体内产生电流、整流性能和放大性能。

我们知道,世界上的任何物质都是由原了构成的。原子中间都有一个原子核和者围绕原子核不停地旋转酌电子。不同元素的原子所包含的电子数目是不同的。蔗原子的原子核周围有32个电子,围绕着原子核运动。原子核带有正电荷.电子带有负电荷;正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷数量相等,所以在平时锗原子是中性的。
电子围绕原子核运动,和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下,电子分成几层按完全确定的轨道运行,而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。如图所示:在锗原子核周围的32个电子组成四层环,围绕原子核运动。从里往外数,第一层环上有2个电子,其余依次为8、18、4个电子。凡是环上的电子数为2、 8、18时.这些环上的电子总是比较稳定的。若环上的电子数不等于以上各数时,这些环上的电子总是不太稳定。
因此,锗原子结构中,第一、二、三层的电于是稳定的,只有第四层(即最外一“层)的4个电于是不稳定的。因最外一层的电子没有填满到规定的数目。我们把最外一层的电子叫做价电子。一般来说,最外层有几个价电子,其原子价就为几。锗的最外层有4个价电子,所以锗的原子价为4。
受外界作用,环上的电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子,自由活动成为自由电子。这些自由电子在电场力的作用下,产生空间运动,就形成了电流。可以想像,由于最外层的价电子离核比较远,所受引力最小,所以最容易受外界影响而形成自由电子。因此,从导电性能看,价电子是很重要的。我们所说的锗元素就是依靠它最外层的4个价电子进行导电的。 锗晶体内的原子很整齐的排列着。各个原子间有相互排斥的力量,而每个原子除了吸引自己的价电子外,还吸引相邻原子的价电子。因此,两个相邻原子的价电子便成对地存在。这一对电子同时受这两个原子核的吸引,为它们所“共有”。这两个相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。这样,电子对就好像起了键(联结)的作用,我们叫它共价键。每一个锗原子以其4个价电子与其他4个锗原子的价电子组成4个共价键而达到稳定状态。
在理想情况下,锗晶体中所有的价电子都织成了电子对,因此没有自由电子,这时锗晶体是不易导电的。 但在外力作用下,如受温度变化,其中可能会有一个价电子脱离键的束缚,挣脱共价键而跳出来,成为自由电子。这时共价键中出现了一个空位,我们把这个空位叫做空穴。由于原子本身正电荷和负电荷相等,故原子失去了电子后,整个原子就带正电荷,称为正离子。正离子容易吸引相邻原子的价电子来填补,电子离开后所留下的空位,使相邻原子中又出现空穴,而这个新出现的空穴,又可能为别的电子去填充。电子这样不断地填充空穴,就使空穴的位置不断地在原子问转移。空穴的转移,实际上也是电子(电荷)的运动,所以也就形成电流,这叫做空穴流。而原来失去的屯子,在晶体中运动,形成了电子流。为了便于叙述,今后就认为空穴在运动,而且把它当作一个正电荷来看(实际上是空穴所在的原子呈现一个单位正电荷的电量)。由于空穴和电子都带有电荷,它们的运动都形成电流,所以就统称它们为载流子。
一块不含有杂质的、品格完整的半导体叫做本征半导体。因为它品格完整,如果有一个电子从共价键中释放出来,必定留下一个空众。所以本征半导体中电子和空众总是成对地出现,它们的数日相等,称为电子一空穴对。在常温下,由于热运动的结果,在本征半导体中会产生一定数量的电子一空穴对,形成电子流和空穴流,总的电流是两者之和。如没有外界电场作用,电子和空穴的这种运动是杂乱无章的,电子流和空穴流方向也是不定的,结果互相抵消,没有净电流出现。但在电场作用下,这种半导体两端就出现电压,电子向正端方向运动,空穴向负端方向运动,形成了定向电流,半导体内就产生电流了。本征半导体因电场作用而产生的导电现象就叫本征导电。
通常,我们很少见到本征半导体,大多遇到的都是P型半导体或N型半导体。

前面说过,半导体中加进了杂质,电阻率就大大降低。这是因为加进杂质后,空穴和电子的数目会大大增加。例如,在锗晶休中掺入很少一点三价元素铟,由于铟的价电子只有三个,渗入锗晶体后,它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键,而对相邻的第四个锗原子,它没有电于拿出来和这个锗原子“共有”了,这就留下了一个空穴(见图1一3(c))。因为掺入了少量的杂质铟,就会出现很多空穴;这是因为即使是少量的,里面含有的原子数目却不少。杂质半导体中空穴和电子数目不相等,在电场作用下,空穴导电是主要的,所以叫空穴型半导体或者说是P型半导体。换句话说,P型或空穴型半导体内是有剩余空穴的,掺入的杂质提供了剩余空穴。在P型半导体中,空穴是多数,所以称空穴为多数载流子;电子数目少,就叫少数裁流子。渗入的杂质能产生空穴接受电子,我们叫这种杂质为受主杂质。


关键词: 半导体 基础知识

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