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第一章 半导体器件基础 第一节 半导体基础知识 1、半导体概念 半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 2、本征半导体的结构 本征半导体 在热力学温度零度时，共价键的电子受到原子核的吸引，不能自由移动，此时半导体不导电。 随着温度的上升，共价键内电子因热激发而获得能量，其中能量较高的电子挣脱共价键的束缚，成为自由电子。同时，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱，其中空穴可看成带正电的载流子。 4、本征半导体中 （2）、载流子浓度的动态平衡： 在本征半导体中，由于本征激发不断产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。同时，又由于正负电荷相吸引，自由电子和空穴复合。 在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生和复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中 二、杂质半导体 1、N型半导体(Negative) 在硅（或锗）的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，所以电子称为多数载流子(简称多子)， 空穴称为少数载流子(简称少子)，5价杂质原子称为施主原子。 2、P型半导体（Positive） 在硅（或锗）的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等。杂质原子代替了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，于是自然会出现空穴。 P型半导体中，空穴浓度多于电子浓度，空穴为多数载流子，电子为少数载流子，3价杂质原子称为受主原子。 3、说明： a、掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。 b、杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。 c、杂质半导体的表示方法如下图所示。 三、PN结 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。 1、PN结中载流子的运动 P区一侧多子是空穴，N区一侧多子是自由电子，所以在它们的交界面处存在空穴和电子的浓度差，由此而引起的多数载流子的运动，称为扩散运动。实际上，N区中的自由电子向P区移动，这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。结果再界面的两侧形成了由正负离子组成的空间电荷区，同时产生一个内电场。 2、扩散与漂移的动态平衡 在内电场的作用下少数载流子的运动称为漂移运动。随着扩散运动的不断增强，界面两侧显露的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，内电场不断增强，漂移运动随之增强。 当扩散力被电场力抵消时，扩散和漂移运动达到动态平衡，通过界面的净载流子数为零。 平衡时，空间电荷区的宽度一定，由于空间电荷区没有载流子，所以空间电荷区又称耗尽区（层）。又因为内电场对扩散有阻挡作用，所以又称空间电荷区为阻挡区或势垒区。 3、PN 结的单向导电性 PN结外加正向电压时处于导通状态，又称正向偏置，简称正偏。在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。 PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏)。反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽，不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I 。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。 4、PN结的电流方程 PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为： :反向饱和电流 :温度的电压当量 5、PN结的伏安特性：i = f (u )之间的关系曲线 （1）、正向特性：正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压，用。 （2）、反向特性：二极管加反向电压会产生反向电流。当反向电压太大，电流会突然增加，这一现象称为二极管的反向击穿。 6、PN结的电容效应 当PN结上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分：势垒电容和扩散电容。 1、势垒电容 势垒电容是由 PN 结的空间电荷区变化形成的，其大小可用下式表示： ：半导体材料的介电比系数； ：结面积； ：耗尽层宽度。 由于PN结的宽度l随外加电压u而变化，因此势垒电容不是一个常数。Cb = f (U) 曲线如图示。 2、扩散电容 扩散电容是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。 在某个正向电压