高美珍 材料科学与工程导论-23.ppt

18.14半导体器件 (Semiconductor Device) 半导体器件（有时称为固体器件）的优点有，体积小，耗能低，不需要预热时间。 p-n结(p-n junction) 整流器或二极管(diode)，是一种电子器件，只允许电流沿一个方向流动。例如一个整流器将交流电变为直流电。 p-n整流结（p-n rectifying junction）（图18.19a）。 18.19 在p－n整流结两端加电势之前，p型一端，空穴是主要载流子，n型区域电子是主要载流子，如图18.19a所示。电荷载流子对正向偏压电势的响应如图18.19b所示。p端的空穴和n端的电子被吸引到结处。当电子和空穴在结处附近相遇时，它们连续复合，相互湮灭； 电子＋空穴 ? 能量 (18.24) 因此，大量的电荷载流子流过半导体达到结处，表现出显著的电流和低的电阻率(mA)。正向偏压的电流——电压特性画在图18.20的右半边。 18.20 反向偏压（图18.19c），空穴和电子作为多数载流子迅速远离结，正负电荷的分离使得结区几乎没有可运动的载流子, 因此结高度绝缘。图18.20也显示了反向偏压的电流—电压(I-V curve)行为。 整流过程示意图为图18.21。由图可见，一个交流电经过这样一个p-n结之后变成直流电，因此称为整流二极管（Rectifer diodes）。反向偏压时，热激发产生的电子-空穴的复合造成leakage current。反向偏压非常大时，会导致二极管击穿（breakdown)。 击穿的方式有两种： 齐纳击穿---Zener breakdown：在高掺杂浓度的情况下，势垒区宽度很小，反向电压较大时，价电子脱离共价键束缚，破坏了势垒区内共价键结构，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。 雪崩击穿---Avalanche breakdown：当反向电压较大时，外加电场使少子漂移速度加快，从而与共价键中价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对。新产生电子-空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，这种击穿称为雪崩击穿。 晶体管（Transistors） 晶体管具有两种类型功能。第一，可以放大电信号。其次，在计算机中可以用于开关元件，处理和存储信息。晶体管的两种主要类型是结（或双模态）晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。 结晶体管（Bipolar Junction Transistors） 结晶体管由两个p－n结背靠背构成，或者为n－p－n型组合，或者为p－n－p型组合。这里以后者为例进行讨论。图18.22是p－n－p结晶体管及其辅助电路示意图。 18.22 在p型发射区和收集区之间插入很薄的n型基极区。含有发射极和基极的结电路正向偏压，而基极——收集极结两端加一反向偏压。由于发射极是p型，结1是正向偏压，因此有大量的空穴进入基极区。这些流入的空穴在n型基极中是少数载流子，一部分空穴与多数电子复合。然而，如果基极特别窄，半导体材料制备的很好，大多数空穴将不与电子发生复合，而是极快地穿过基极，然后穿过结2进入p型收集极，成为发射极——收集极电路的一部分。 在发射极——基极电路中输入电压的很小的增加将导致穿过结2的电流的大的增大。收集极电流大的增大也反应在负载电阻器两端电压的大的增大上，这也示意在电路中(图18.22)。因此穿过晶体管的电压信号发生了放大，放大效应也通过两个电压——时间曲线示意在图18.22中。 19-26 其中，I0和B是常数， VE是发射极和基极之间的电压。 18.23 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 一类MOSFET由两个p型半导体小岛组成，这两个小岛是在n型硅基底内形成的，横截面如图18.24所示。这两个岛由一个很窄的p型沟道连通，这些岛之间有适当的金属连接（源极Source和漏极Drain），通过硅的氧化，表面形成一层二氧化硅绝缘层，在表面绝缘层之上有导体接线端子（门, gate）。 18.24 MOSFET的工作原理与结晶体管的不同之处在于，只有一种类型载流子（或者电子，或者空穴）是活跃的。沟道的电导率随门上存在的电场变化。例如在门上加一个正场，将使得载流子离开沟道，因此降低了沟道的电导率，这样以来，门上所加电场的一个很小的变化将使得源极和漏极之间的电流产生很大的变化。 计算机中的半导体 除了能够对电信号进行放大外，晶体管和二极管也可以用作开关元件，此特点可以用在算术和逻辑运算，以及计算机信息存储中。 微型电子线路 图18.25a和18.25b是不同放大倍数的微处理集成电路块的照片。这些显微图显示了集成电路复杂性。 微型电路由许多层组成，都在硅极板之内，或者以非常精确的方式叠摞在硅极板之上