第6章常用半导体器件

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1、 6.1.1 半导体材料半导体材料 （1）物质的分类）物质的分类导体导体容易导电、电阻率小于容易导电、电阻率小于10-4cm的物质，例如的物质，例如 铜、铝、银等金属材料。铜、铝、银等金属材料。绝缘体绝缘体很难导电、电阻率大于很难导电、电阻率大于1010cm的物质，例如的物质，例如 塑料、橡胶、陶瓷等材料。塑料、橡胶、陶瓷等材料。 半导体半导体导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3 109cm范围内的物质，常用的半导体材料有硅范围内的物质，常用的半导体材料有硅 （Si）和锗（）和锗（Ge）等。）等。 半导体材料的最外层轨道上的电子是半导体材料的最外

2、层轨道上的电子是4 4个，根据其个，根据其特性，可以将半导体材料分成以下五类：特性，可以将半导体材料分成以下五类：元素半导体（元素体本身）元素半导体（元素体本身）n 化合物半导体（两种或以上元素的化合物）化合物半导体（两种或以上元素的化合物）n 固溶体半导体（元素化合物互溶而成）固溶体半导体（元素化合物互溶而成） n 非晶态半导体（非纯正晶体结构）非晶态半导体（非纯正晶体结构） n 有机半导体有机半导体 （具有半导体性质的有机化合物）（具有半导体性质的有机化合物）（2）半导体的基本特性）半导体的基本特性 热敏性热敏性半导体的导电能力随着温度的升高而半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加迅速增

3、加。例如纯净的锗从。例如纯净的锗从20 升高到升高到30 时，它时，它的电阻率几乎减小为原来的的电阻率几乎减小为原来的1/2。光敏性光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性著改变的特性叫做光敏性。自动控制中用的光电二极。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处，其电阻率一般没有什么变化。体在阳光下或在暗处，其电阻率一般没有什么变化。掺杂性掺杂性半导体的导电能力因掺入适量杂质而半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。发生很大的变化。在半导体硅中，

4、只要掺入亿分之一在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。而金属的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。有什么影响。 6.1.2 本征半导体和掺杂半导体本征半导体和掺杂半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 1、本征半导体、本征半导体硅和锗的简化硅和锗的简化原子模型。原子模型。 晶体结构中的晶体结构中的共价键具有很共价键具有很强的结合力，强的结合力，在没有外界能在没有外界能量激发时，价量激发时

5、，价电子没有能力电子没有能力挣脱共价键束挣脱共价键束缚，这时晶体缚，这时晶体中几乎没有自中几乎没有自由电子，因此由电子，因此很难导电。很难导电。在有外界能量激发时：在有外界能量激发时： 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子键中的价电子因热激发因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为成为，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“” 。本征半导体中产生电子本征半导体中产生电子空穴空穴对的现象称为对的现象称为 显然在外电场的

6、作用显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向电流：一是自由电子作定向运动形成的运动形成的，一是，一是由于价电子递补空穴，由于价电子递补空穴，空穴空穴也产生定向移动而也产生定向移动而形成的形成的。 2 2、 杂质半导体杂质半导体 通过特殊的扩散工艺，在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导通过特殊的扩散工艺，在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的半导体称为掺入杂质的半导体称为杂杂质半导体可以分为质半导体可以分为两大类。两大类。 （1）N型半导体型半导体在纯净的硅（或锗）半导体晶体

7、中，在纯净的硅（或锗）半导体晶体中， 掺入微量的五价元素，如磷（掺入微量的五价元素，如磷（P）。）。 在在N型半导体中，自由电子的型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，简称前者穴为少数载流子，简称前者为多子，后者为少子。为多子，后者为少子。N型半型半导体主要靠自由电子导电，导体主要靠自由电子导电，因此也称为因此也称为半导体半导体。（2）P型半导体型半导体在纯净的硅（或锗）半导体晶体中，掺在纯净的硅（或锗）半导体晶体中，掺 入微量的三价元素，如硼（入微量的三价元素，如硼（B）。）。 P型半导体中，空穴

8、为多子，自由电子为少子，主要型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电，因此也称为靠空穴导电，因此也称为半导体半导体。注意：不论是注意：不论是N N型半导体还是型半导体还是P P型半导体，虽然型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的，带电的，呈电中性呈电中性。 6.1.3 PN6.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性（1）PN结的形成结的形成 采用不同的掺杂工艺，将采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和型半导体和N型半导型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成了体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成了PN结

9、。结。 PN结结（2）PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结处于平衡状态，称为平衡结处于平衡状态，称为平衡PN结。如果在结。如果在PN结结两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。当外加电压两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。当外加电压极性不同时，极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能，即呈现结表现出截然不同的导电性能，即呈现单向导电性单向导电性。 PN结加正向电压时处于导通状态结加正向电压时处于导通状态 PN结结P端接高电位，端接高电位，N端接低电位，称端接低电位，称PN结外结外加正向电压，又称加正向电压，又称PN结结正向偏置正向偏置，简称为正，简称为正偏偏 ，这时电流，这时电流I I不

10、为零，不为零，PN结处于导通状态。结处于导通状态。PN结加反向电压时处于截止状态结加反向电压时处于截止状态 PN结结P端接低电位，端接低电位，N端接高电位，称端接高电位，称PN结外加反结外加反向电压，又称向电压，又称PN结结反向偏置反向偏置，简称为反偏，这时回路中，简称为反偏，这时回路中的反向电流非常小，几乎等于零，的反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态结处于截止状态 。 讨论题讨论题答：这种说法是错误的。因为，晶体在掺入答：这种说法是错误的。因为，晶体在掺入杂质后，只是共价键上多出了电子或少了电杂质后，只是共价键上多出了电子或少了电子，从而获得了子，从而获得了N型半导体或型半导体或

11、P型半导体，但型半导体，但整块晶体中既没有失电子也没有得电子，所整块晶体中既没有失电子也没有得电子，所以仍呈电中性。以仍呈电中性。1、N型半导体中的多子是带负电的自由电型半导体中的多子是带负电的自由电子载流子，子载流子，P型半导体中的多子是带正电型半导体中的多子是带正电的空穴载流子，因此说的空穴载流子，因此说N型半导体带负电，型半导体带负电，P型半导体带正电。上述说法对吗？为什型半导体带正电。上述说法对吗？为什么？么？6.2 半导体二极管半导体二极管6.2.1 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 将将PN结用结用外壳外壳封装起来，并加上封装起来，并加上电极引线电极引线就构成了半就