半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1分析

第1章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2PN結(jié)1.3半導(dǎo)體三極管1.4場效應(yīng)管1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價元素,如銅、鐵、鋁等金屬,其最外層電子受原子核的束縛力很小,因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場作用下,這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(稱為漂移運(yùn)動)形成電流,呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特性。高價元素(如惰性氣體)和高分子物質(zhì)(如橡膠,塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng),極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子,所以其導(dǎo)電性極差,可作為絕緣材料。而半導(dǎo)體材料最外層電子既不像導(dǎo)體那樣極易擺脫原子核的束縛,成為自由電子,也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊,因此,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性介于二者之間。1.1.1本征半導(dǎo)體純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺,它們都是四價元素,在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有四個價電子。為便于討論,采用圖1-１所示的簡化原子結(jié)構(gòu)模型。把硅或鍺材料拉制成單晶體時,相鄰兩個原子的一對最外層電子(價電子)成為共有電子,它們一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動,另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。即價電子不僅受到自身原子核的作用,同時還受到相鄰原子核的吸引。于是,兩個相鄰的原子共有一對價電子,組成共價鍵結(jié)構(gòu)。故晶體中,每個原子都和周圍的４個原子用共價鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來,如圖１-２所示。圖1–1硅和鍺簡化原子結(jié)構(gòu)模型圖1–2本征半導(dǎo)體共價鍵晶體結(jié)構(gòu)示意圖共價鍵中的價電子由于熱運(yùn)動而獲得一定的能量,其中少數(shù)能夠擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子,同時必然在共價鍵中留下空位,稱為空穴?？昭◣д?如圖1-３所示。圖1–3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴由此可見,半導(dǎo)體中存在著兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導(dǎo)體中,自由電子與空穴是同時成對產(chǎn)生的,因此,它們的濃度是相等的。我們用n和p分別表示電子和空穴的濃度,即ni=pi,下標(biāo)i表示為本征半導(dǎo)體。價電子在熱運(yùn)動中獲得能量產(chǎn)生了電子-空穴對。同時自由電子在運(yùn)動過程中失去能量,與空穴相遇,使電子、空穴對消失,這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生過程和復(fù)合過程是相對平衡的,載流子的濃度是一定的。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度,除了與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還與溫度有關(guān),而且隨著溫度的升高,基本上按指數(shù)規(guī)律增加。因此,半導(dǎo)體載流子濃度對溫度十分敏感。對于硅材料,大約溫度每升高８℃,本征載流子濃度ni增加1倍；對于鍺材料,大約溫度每升高１２℃,ｎｉ增加1倍。除此之外,半導(dǎo)體載流子濃度還與光照有關(guān),人們正是利用此特性,制成光敏器件。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.Ｎ型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中,摻入微量５價元素,如磷、銻、砷等,則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有５個價電子,因此它與周圍４個硅(鍺)原子組成共價鍵時,還多余1個價電子。它不受共價鍵的束縛,而只受自身原子核的束縛,因此,它只要得到較少的能量就能成為自由電子,并留下帶正電的雜質(zhì)離子,它不能參與導(dǎo)電,如圖１-４所示。顯然,這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度,即nn>>pn(下標(biāo)ｎ表示是Ｎ型半導(dǎo)體),主要靠電子導(dǎo)電,所以稱為Ｎ型半導(dǎo)體。由于５價雜質(zhì)原子可提供自由電子,故稱為施主雜質(zhì)。Ｎ型半導(dǎo)體中,自由電子稱為多數(shù)載流子；空穴稱為少數(shù)載流子。圖1-4N型半導(dǎo)體共價鍵結(jié)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度。由于少數(shù)載流子是半導(dǎo)體材料共價鍵提供的,因而其濃度主要取決于溫度。此時電子濃度與空穴濃度之間,可以證明有如下關(guān)系：即在一定溫度下,電子濃度與空穴濃度的乘積是一個常數(shù),與摻雜濃度無關(guān)。

2.P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中,摻入微量３價元素,如硼、鎵、銦等,則原來晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。圖1–5P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)1.２ＰＮ結(jié)1.2.1異型半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象圖1-6PN結(jié)的形成1.2.2ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娞匦?.ＰＮ結(jié)外加正向電壓

若將電源的正極接Ｐ區(qū),負(fù)極接Ｎ區(qū),則稱此為正向接法或正向偏置。此時外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場與自建場方向相反,削弱了自建場,使阻擋層變窄,如圖１-７(ａ)所示。顯然,擴(kuò)散作用大于漂移作用,在電源作用下,多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成正向電流,其方向由電源正極通過Ｐ區(qū)、Ｎ區(qū)到達(dá)電源負(fù)極。此時,ＰＮ結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài),它所呈現(xiàn)出的電阻為正向電阻,其阻值很小。正向電壓愈大,正向電流愈大。其關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：式中,ＩＤ為流過ＰＮ結(jié)的電流；U為ＰＮ結(jié)兩端電壓；,稱為溫度電壓當(dāng)量,其中k為玻耳茲曼常數(shù),Ｔ為絕對溫度,q為電子的電量,在室溫下即Ｔ＝３００Ｋ時,ＵＴ＝２６ｍＶ；ＩＳ為反向飽和電流。電路中的電阻Ｒ是為了限制正向電流的大小而接入的限流電阻。圖1-7PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?.ＰＮ結(jié)外加反向電壓若將電源的正極接Ｎ區(qū),負(fù)極接Ｐ區(qū),則稱此為反向接法或反向偏置。此時外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場與自建場方向相同,增強(qiáng)了自建場,使阻擋層變寬,如圖１-７(ｂ)所示。此時漂移作用大于擴(kuò)散作用,少數(shù)載流子在電場作用下作漂移運(yùn)動,由于其電流方向與正向電壓時相反,故稱為反向電流。由于反向電流是由少數(shù)載流子所形成的,故反向電流很小,而且當(dāng)外加反向電壓超過零點(diǎn)幾伏時,少數(shù)載流子基本全被電場拉過去形成漂移電流,此時反向電壓再增加,載流子數(shù)也不會增加,因此反向電流也不會增加,故稱為反向飽和電流,即ＩＤ＝－ＩＳ。

此時,ＰＮ結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài),呈現(xiàn)的電阻稱為反向電阻,其阻值很大,高達(dá)幾百千歐以上。綜上所述：ＰＮ結(jié)加正向電壓,處于導(dǎo)通狀態(tài)；加反向電壓,處于截止?fàn)顟B(tài),即ＰＮ結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。將上述電流與電壓的關(guān)系寫成如下通式：

此方程稱為伏安特性方程,如圖１-８所示,該曲線稱為伏安特性曲線。(1-1)圖1-8PN結(jié)伏安特性

1.2.3ＰＮ結(jié)的擊穿PN結(jié)處于反向偏置時,在一定電壓范圍內(nèi),流過ＰＮ結(jié)的電流是很小的反向飽和電流。但是當(dāng)反向電壓超過某一數(shù)值(ＵＢ)后,反向電流急劇增加,這種現(xiàn)象稱為反向擊穿,如圖１-８所示。ＵＢ稱為擊穿電壓。ＰＮ結(jié)的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。當(dāng)反向電壓足夠高時,阻擋層內(nèi)電場很強(qiáng),少數(shù)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)受強(qiáng)烈電場的加速作用,獲得很大的能量,在運(yùn)動中與其它原子發(fā)生碰撞時,有可能將價電子“打”出共價鍵,形成新的電子、空穴對。這些新的載流子與原先的載流子一道,在強(qiáng)電場作用下碰撞其它原子打出更多的電子、空穴對,