基本半导体分立器件.pptx

第1章基本半导体分立器件1.1半导体的基本知识与PN结1.热敏性
所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。
2.光敏性
半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。一种硫化镉薄膜，在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处，其电阻率一般没有什么变化。
3.杂敏性
所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件，而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。
半导体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。1.1.2本征半导体
在近代电子学中，最常用的半导体材料就是硅和锗，下面以它们为例，介绍半导体的一些基本知识。
一切物质都是由原子构成的，而每个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成。由于内层电子受原子核的束缚较大，很难活动，因此物质的特性主要由受原子核的束缚力较小的最外层电子，也就是价电子来决定。硅原子和锗原子的电子数分别为32和14，所以它们最外层的电子都是四个，是四价元素。其原子结构可以表示成如图1-1所示的简化模型。图1-1硅和锗的原子结构简化模型在实际应用中，必须将半导体提炼成单晶体——使它的原子排列由杂乱无章的状态变成有一定规律、整齐地排列的晶体结构，如图1-2所示，称为单晶。硅和锗等半导体都是晶体，所以半导体管又称晶体管。通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。
图1-2本征硅（或锗）的晶体结构
（a）结构图；（b）平面示意图与共价键从图1-2（b）的平面示意图可以看出，硅和锗原子组成单晶的组合方式是共价键结构。每个价电子都要受到相邻的两个原子核的束缚，每个原子的最外层就有了八个价电子而形成了较稳定的共价键结构。所以，半导体的价电子既不像导体的价电子那样容易挣脱成为自由电子，也不像在绝缘体中被束缚的那样紧。由于导电能力的强弱，在微观上看就是单位体积中能自由移动的带电粒子数目的多少，因此，半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。
1．本征激发与复合
在绝对零度（－273℃）时，半导体中的价电子不能脱离共价键的束缚，所以在半导体中没有自由电子，半导体呈现不能导电的绝缘体特性。
当温度逐渐升高或在一定强度的光照下，本征硅或锗中的一些价电子从热运动中获得了足够的能量，挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷的自由电子。同时，在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空位，称之为空穴，也叫空位。这种现象，叫做本征激发。在本征激发中，带一个单位负电荷的自由电子和带一个单位正电荷的空穴总是成对出现的，所以称之为自由电子—空穴对，如图1-3所示。图1-3本征激发产生自由电子—空穴对自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失，叫做复合。本征激发和复合总是同时存在、同时进行的，这是半导体内部进行的一对矛盾运动。在温度一定的情况下，本征激发和复合达到动态平衡，单位时间本征激发出的自由电子—空穴对数目正好等于复合消失的数目，这样在整块半导体内，自由电子和空穴的数目保持一定。一般在室温时，纯硅中的自由电子浓度n和空穴浓度p为
ni=n=p≈1.5×1010(个/cm3)（1-1）
对于纯锗来说，这个数据约为2.5×1013个/cm3，而金属导体中的自由电子浓度约为1022个/cm3。从数字上可以看出，本征半导体的导电能力是很差的。温度越高，本征激发越激烈，产生的自由电子—空穴对越多，当半导体重新达到动态平衡时的自由电子或空穴的浓度就越高，导电能力就越强。这实际上就是半导体材料具有热敏性和光敏性的本质原因。2．自由电子运动与空穴运动
经过分析，我们知道在本征半导体中，每本征激发出一个自由电子，就会留下一个空穴，这时本来不带电的原子，就相当于带正电的正离子，或者说留下的这个空穴相当于带一个单位的正电荷。在热能或外加电场的作用下，邻近原子带负电的价电子很容易跳过来填补这个空位，这相当于此处的空穴消失了，但却转移到相邻的那个原子处去了，如图1-4所示，价电子由B到A的运动，就相当于空穴从A移动到B。图1-4空穴运动图1-5本征半导体中载流子的导电方式因此，半导体中有两种载流子：一种是带负电荷的自由电子，一种是带正电荷的空穴。它们在外加电场的作用下都会出现定向移动。微观上载流子的定向运动，在宏观上就形成了电流。自由电子逆电场方向移动形成电子电流IN，空穴顺电场方向移动形成空穴电流IP，如图1-5所示