半导体器件是构成电子电路的基本元件,它们所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。
本征半导体:纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
半导体:物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素,它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子,在外电场的作用下产生定向移动,形成电流。高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子,所以导电性极差,成为绝缘体。常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧,因而其导电性介于二者之间。在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素时,导电性能具有可控性;并且,在光照和热辐射条件下,其导电性还有明显的变化;这些特殊的性质就决定了半导体可以制成各种电子器件。
本征半导体的晶体结构:将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。由于相邻原子间的距离很小,因此,相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,这样的组合称为共价键结构。
本征半导体中的两种载流子:晶体中的共价键具有很强的结合力,因此,在常温下,仅有极少数的价电子由于热运动(热激发)获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时,在共价键中留下一个空位置,称为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电,或者说空穴带正电。在本征半导体中,自由电子和空穴是成对出现的,即自由电子与空穴数目相等。这样,若在本征半导体两端外加一电场,则一方面自由电子将产生定向移动,形成电子电流;另一方面由于空穴的存在,价电子将按一定的方向依次填补空穴,也就是说空穴也产生定向移动,形成空穴电流。由于自由电子和空穴所带电荷极性不同,所以它们的运动方向相反,本征半导体中的电流是两个电流之和。运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子,即自由电子导电;而本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电,这是半导体导电的特殊性质。
本征半导体中载流子的浓度:半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,而两者同时消失,这种现象称为复合。在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,故达到动态平衡。换言之,在一定温度下,本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。当环境温度升高时,热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也随之增多,则载流子的浓度升高,因而必然使得导电性能增强。反之,若环境温度降低,则载流子的浓度降低,因而导电性能变差,可见,本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。应当指出,本征半导体的导电性能很差,且与环境温度密切相关。半导体材料性能对温度的这种敏感性,既可以用来制作热敏和光敏器件,又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。
本征半导体结构与内部载流子杂质半导体:通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,便可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不同,可形成N型半导体和P型半导体;控制掺入杂质元素的浓度,就可控制杂质半导体的导电性能。
N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。由于杂质原子的最外层有五个价电子,所以除了与其周围硅原子形成共价键外,还多出一个电子。多出的电子不受共价键的束缚,只需获得很少的能量,就成为自由电子。在常温下,由于热激发,就可使它们成为自由电子。而杂质原子因在晶格上,且又缺少电子,故变为不能移动的正离子。N型半导体中,自由电子的浓度大于空穴的浓度,故称自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子;简称前者为多子,后者为少子,由于杂质原子可以提供电子,故称之为施主原子。N型半导体主要靠自由电子导电,掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。
P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成P型半导体。由于杂质原子的最外层有三个价电子,所以当它们与周围的硅原子形成共价键时,就产生了一个“空位”(空位为电中性),当硅原子的外层电子填补此空位时,其共价键中便产生了一个空穴。而杂质原子成为不可移动的负离子。因而P型半导体中空穴为多子,自由电子为少子,主要靠空穴导电。与N型半导体相同,掺入的杂质越多,空穴的浓度就越高,使得导电性能越强。因杂质原子中的空位吸收电子,故称之为受主原子。
N型、P型半导体结构从以上分析可知,由于掺入的杂质使多子的数目大大增加,从而使多子与少子复合的机会大大增多。因此,对于杂质半导体,多子的浓度愈高,少子的浓度就愈低。可以认为,多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度,因而它受温度的影响很少;而少子是本征激发形成的,所以尽管其浓度很低,却对温度非常敏感,这将影响半导体器件的性能。
PN结:采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。
PN结的形成:物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动,这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时,在它们的交界面,两种载流子的浓度差很大,因而P区的空穴必然向N区扩散,与此同时,N区的自由电子也必然向P区扩散。由于扩散到P区的自由电子与空穴复合,而扩散到N区的空穴与自由电子复合,所以在交界面附近多子的浓度下降,P区出现负离子区,N区出现正离子区,它们是不能移动的,称为空间电荷区,从而形成内电场。随着扩散运动的进行,空间电荷区加宽,内电场增强,其方向由N区指向P区,正好阻止扩散运动的进行。在电场力作用下,载流子的运动称为漂移运动。当空间电荷区形成后,在内电场作用下,少子产生漂移运动,空穴从N区向P区运动,而自由电子从P区向N区运动。在无外电场和其他激发作用下,参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目,从而达到动态平衡,形成PN结。此时,空间电荷区具有一定的宽度,电位差为,电流为零。空间电荷区内,正、负电荷的电量相等;因此,当P区与N区杂质浓度相等时,负离子区与正离子区的宽度也相等,称为对称结;而当两边杂质浓度不同时,浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧,称为不对称PN结;两种结的外部特性是相同的。绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴都非常少,在分析PN结特性时常忽略载流子的作用,而只考虑离子区的电荷,这种方法称为“耗尽层近似”,故也称空间电荷区为耗尽层。
PN结PN结的单向导电性:如果在PN结的两端外加电压,就将破坏原来的平衡状态。此时,扩散电流不再等于漂移电流,因而PN结将有电流流过。当外加电压极性不同时,PN结表现出截然不同的导电性能,即呈现出单向导电性。
PN结加外加正向电压时导通:当电源的正极(或正极串联电阻后)接到PN结的P端,且电源的负极(或负极串联电阻后)接到PN结的N端时,称PN结外加正向电压,也称正向接法或正向偏置。此时外电场将多数载流子推向空间电荷区,使其变窄,削弱了内电场,破坏了原来的平衡,使扩散运动加剧,漂移运动减弱。由于电源的作用,扩散运动将源源不断地进行,从而形成正向电流,PN结导通。PN结导通时的结压降只有零点几伏,因而应在它所在的回路中串联一个电阻,以限制回路的电流,防止PN结因正向电流过大而损坏。
PN结加外加反向电压时截止:当电源的正极(或正极串联电阻后)接到PN结的N端,且电源的负极(或负极串联电阻后)接到PN结的P端时,称PN结外加反向电压,也称反向接法或反向偏置。此时外电场使空间电荷区变宽,加强了内电场,阻止扩散运动的进行,而加剧漂移运动的进行,形成反向电流,也称为漂移电流。因为少子的数目极少,即使所有的少子都参与漂移运动,反向电流也非常小,所以在近似分析中常将它忽略不计,认为PN结外加反向电压时处于截止状态。