這節(jié)我們主要了解半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。理解PN結(jié)及其單向?qū)щ娦�。熟悉半�?dǎo)體二極管的伏安特性及主要參數(shù)。熟悉穩(wěn)壓管工作原理、伏安特性及主要參數(shù)。深刻理解晶體管的電流放大原理，熟悉輸入和輸出特性及主要參數(shù)。了解場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、轉(zhuǎn)移特性、輸出特性及主要參數(shù)。
1、半導(dǎo)體要求達(dá)到“識(shí)記”層次。
2、PN結(jié)，要求達(dá)到“領(lǐng)會(huì)”層次。
3、二極管，要求達(dá)到“領(lǐng)會(huì)”層次。
4、穩(wěn)壓管，要求達(dá)到“領(lǐng)會(huì)”層次。
5、晶體管，要求達(dá)到“領(lǐng)會(huì)”層次。
6、場(chǎng)效應(yīng)管，要求達(dá)到“領(lǐng)會(huì)”層次。
重點(diǎn)：二極管、穩(wěn)壓管和晶體三極管。
難點(diǎn)：場(chǎng)效應(yīng)管
1. 本征半導(dǎo)體
根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。
本征半導(dǎo)體是—種化學(xué)成分純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱(chēng)為"九個(gè)9"。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。
(1) 本征半導(dǎo)體的熱敏性、光敏性和摻雜性
① 熱敏性、光敏性—本質(zhì)半導(dǎo)體在溫度升高或光照情況下，導(dǎo)電率明顯提高。
② 摻雜性—在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定的雜質(zhì)，成為雜質(zhì)半導(dǎo)體后，其導(dǎo)電率會(huì)明顯的發(fā)生改變。
(2) 電子空穴對(duì)
在絕對(duì)溫度0K時(shí)，半導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，將有少數(shù)電子能掙脫原子核的束縛而成為自由電子，流下的空位稱(chēng)為空穴，這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)(也稱(chēng)熱激發(fā))。在本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。自由電子和空穴在半導(dǎo)體中都是導(dǎo)電粒子，稱(chēng)它們?yōu)檩d流子。
2. N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體
(1) N型半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱(chēng)電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫�(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子(多子),它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子(少子), 由熱激發(fā)形成。
(2)P型半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。
根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。
半導(dǎo)體的電阻率為10-3～10-9 ??cm。
典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。
4.1.1 本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性
本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。
制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱(chēng)為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。
(1) 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)
硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱(chēng)為價(jià)電子。它們分別與周?chē)乃膫�(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見(jiàn)圖01.01。
(a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖
圖01.01 硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖
(2) 電子空穴對(duì)
當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0 K時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)(也稱(chēng)熱激發(fā))。
自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱(chēng)呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴�？梢�(jiàn)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為復(fù)合，如圖01.02所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
圖01.02 本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程
(3) 空穴的移動(dòng)
自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過(guò)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
圖01.03 空穴在晶格中的移動(dòng)(動(dòng)畫(huà)1-2)
4.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。
(1) N型半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱(chēng)電子型半導(dǎo)體。
因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫�(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。
提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.04所示。
圖01.04 N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖
(2) P型半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體。
因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。
空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.05所示。
圖01.05 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖
4.1.3 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響
摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:
T=300K 室溫下,本征硅的電子和空穴濃度為:
n = p =1.4×1010/cm3
本征硅的原子濃度: 4.96×1022 /cm3
摻雜后，N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度為： n=5×1016 /cm3 |
