半導體的簡介
- 2012-3-31 16:07:21
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半導體是電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數的物質...... |
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半導體 |
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半導體（semiconductor），指常溫下導電性能介于導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。半導體在收音機、電視機以及測溫上有著廣泛的應用。
半導體是電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數的物質。
室溫時電阻率約在10E-5～E歐姆·米之間，溫度升高時電阻率指數則減小。半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體；化合物半導體包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物(硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態半導體外，還有非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。本征半導體：不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶(見能帶理論)，受到熱激發后，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，稱為空穴（圖1）。導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴對，均能自由移動，即載流子，它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流，分別稱為電子導電和空穴導電。這種由于電子-空穴對的產生半導體
而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為復合。復合時釋放出的能量變成電磁輻射（發光）或晶格的熱振動能量（發熱）。在一定溫度下，電子-空穴對的產生和復合同時存在并達到動態平衡，此時半導體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時，將產生更多的電子-空穴對，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大，實際應用不多。
分類
半導體的分類，按照其制造技術可以分為：集成電路器件，分立器件、光電半導體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。此外還有以應用領域、設計方法等進行分類，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規模進行分類的方法。此外，還有按照其所處理的信號，可以分成模擬、數字、模擬數字混成及功能進行分類的方法。
特點
半導體五大特性∶摻雜性，熱敏性，光敏性，負電阻率溫度特性，整流特性。★在形成晶體結構的半導體中，人為地摻入特定的雜質元素，導電性能具有可控性。★在光照和熱輻射條件下，其導電性有明顯的變化。晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，稱為晶格。共價鍵結構：相鄰的兩個原子的一對最外層電子（即價電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構成共價鍵。自由電子的形成：在常溫下，少數的價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。空穴：價電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。電子電流：在外加電場的作用下，自由電子產生定向移動，形成電子電流。空穴電流：價電子按一定的方向依次填補空穴（即空穴也產生定向移動），形成空穴電流。本征半導體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運動方向相反。載流子：運載電荷的粒子稱為載流子。導體電的特點：導體導電只有一種載流子，即自由電子導電。本征半導體電的特點：本征半導體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導電。本征激發：半導體在熱激發下產生自由電子和空穴的現象稱為本征激發。復合：自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現象稱為復合。動態平衡：在一定的溫度下，本征激發所產生的自由電子與空穴對，與復合的自由電子與空穴對數目相等，達到動態平衡。載流子的濃度與溫度的關系：溫度一定，本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導電性能增強；當溫度降低，則載流子的濃度降低，導電性能變差。結論：本征半導體的導電性能與溫度有關。半導體材料性能對溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導體器件溫度穩定性差的原因。雜質半導體：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。P型半導體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導體。多數載流子：P型半導體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，稱為多數載流子，簡稱多子。少數載流子：P型半導體中，自由電子為少數載流子，簡稱少子。受主原子：雜質原子中的空位吸收電子，稱受主原子。P型半導體的導電特性：它是靠空穴導電，摻入的雜質越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能也就越強。N型半導體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半導體。多子：N型半導體中，多子為自由電子。少子：N型半導體中，少子為空穴。施子原子：雜質原子可以提供電子，稱施子原子。N型半導體的導電特性：摻入的雜質越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能也就越強。結論：多子的濃度決定于雜質濃度。少子的濃度決定于溫度。PN結的形成：將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結。PN結的特點：具有單向導電性。擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產生的運動稱為擴散運動。空間電荷區：擴散到P區的自由電子與空穴復合，而擴散到N區的空穴與自由電子復合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區出現負離子區，N區出現正離子區，它們是不能移動，稱為空間電荷區。電場形成：空間電荷區形成內電場。空間電荷加寬，內電場增強，其方向由N區指向P區，阻止擴散運動的進行。漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱漂移運動。PN結的形成過程：如圖所示，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在無外電場和其它激發作用下，參與擴散運動的多子數目等于參與漂移運動的少子數目，從而達到動態平衡，形成PN結。PN結的形成過程
電位差：空間電荷區具有一定的寬度，形成電位差Uho，電流為零。耗盡層：絕大部分空間電荷區內自由電子和空穴的數目都非常少，在分析PN結時常忽略載流子的作用，而只考慮離子區的電荷，稱耗盡層。
伏安特性曲線：加在PN結兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關系曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示：PN伏安特性
正向特性：u>0的部分稱為正向特性。反向特性：u<0的部分稱為反向特性。反向擊穿：當反向電壓超過一定數值U（BR）后，反向電流急劇增加，稱之反向擊穿。勢壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容Cb。變容二極管：當PN結加反向電壓時，Cb明顯隨u的變化而變化，而制成各種變容二極管。如下圖所示。PN結的勢壘電容
平衡少子：PN結處于平衡狀態時的少子稱為平衡少子。非平衡少子：PN結處于正向偏置時，從P區擴散到N區的空穴和從N區擴散到P區的自由電子均稱為非平衡少子。擴散電容：擴散區內電荷的積累和釋放過程與電容器充、放電過程相同，這種電容效應稱為Cd。結電容：勢壘電容與擴散電容之和為PN結的結電容Cj。
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