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半导体基础知识及PN结

时间:2010-05-14 17:30来源:未知 作者:admin 点击:
在我们的日常生活中,经常看到或用到各种各样的物体,它们的性质是各不相同的。有些物体,如钢、银、铝、铁等,具有良好的导电性能,我们称它们为导体。相反,有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电,我们称它们为绝缘休(或非导体)。还有一些物体,如锗、硅、砷化稼及大多数的金属氧化物和金属硫化物,它们既不象导体那样容易导屯,也不象绝缘体那样不易导电,而是介于导体和绝缘体之间,我们把它们叫做半导体。绝大多数半导体都是晶体,它们内部的原子都按照一定的规律排列着。因此,人们往往又把半导体材料称为晶体,这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。
物体的导电性能常用电阻率来表示。所谓电阻率,就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。电阻率越小,越容易导电;反之,电阻率越大,越难导电。
导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时,半导体的电阻率变化却很激烈;每升高1℃,它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此,当温度较高时,整体电阻甚至下降到很小,以致变成和导体一样。
在金属或绝缘体中,如果杂质含量不超过干分之一,它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例,只要含杂质一千万分之一,电阻率就下降到原来的十六分之一。
锗是典型的半导体元素,是制造晶体管的一种常用材料(注:当前的半导体元器件生产以硅Silicon材料为主)。现以锗为例来说明如何会在半导体内产生电流、整流性能和放大性能。
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我们知道,世界上的任何物质都是由原了构成的。原子中间都有一个原子核和者围绕原子核不停地旋转酌电子。不同元素的原子所包含的电子数目是不同的。蔗原子的原子核周围有32个电子,围绕着原子核运动。原子核带有正电荷.电子带有负电荷;正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷数量相等,所以在平时锗原子是中性的。
电子围绕原子核运动,和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下,电子分成几层按完全确定的轨道运行,而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。如图所示:在锗原子核周围的32个电子组成四层环,围绕原子核运动。从里往外数,第一层环上有2个电子,其余依次为8、18、4个电子。凡是环上的电子数为2、 8、18时.这些环上的电子总是比较稳定的。若环上的电子数不等于以上各数时,这些环上的电子总是不太稳定。
因此,锗原子结构中,第一、二、三层的电于是稳定的,只有第四层(即最外一“层)的4个电于是不稳定的。因最外一层的电子没有填满到规定的数目。我们把最外一层的电子叫做价电子。一般来说,最外层有几个价电子,其原子价就为几。锗的最外层有4个价电子,所以锗的原子价为4。
受外界作用,环上的电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子,自由活动成为自由电子。这些自由电子在电场力的作用下,产生空间运动,就形成了电流。可以想像,由于最外层的价电子离核比较远,所受引力最小,所以最容易受外界影响而形成自由电子。因此,从导电性能看,价电子是很重要的。我们所说的锗元素就是依靠它最外层的4个价电子进行导电的。

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锗晶体内的原子很整齐的排列着。各个原子间有相互排斥的力量,而每个原子除了吸引自己的价电子外,还吸引相邻原子的价电子。因此,两个相邻原子的价电子便成对地存在。这一对电子同时受这两个原子核的吸引,为它们所“共有”。这两个相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。这样,电子对就好像起了键(联结)的作用,我们叫它共价键。每一个锗原子以其4个价电子与其他4个锗原子的价电子组成4个共价键而达到稳定状态。
在理想情况下,锗晶体中所有的价电子都织成了电子对,因此没有自由电子,这时锗晶体是不易导电的。 但在外力作用下,如受温度变化,其中可能会有一个价电子脱离键的束缚,挣脱共价键而跳出来,成为自由电子。这时共价键中出现了一个空位,我们把这个空位叫做空穴。由于原子本身正电荷和负电荷相等,故原子失去了电子后,整个原子就带正电荷,称为正离子。正离子容易吸引相邻原子的价电子来填补,电子离开后所留下的空位,使相邻原子中又出现空穴,而这个新出现的空穴,又可能为别的电子去填充。电子这样不断地填充空穴,就使空穴的位置不断地在原子问转移。空穴的转移,实际上也是电子(电荷)的运动,所以也就形成电流,这叫做空穴流。而原来失去的屯子,在晶体中运动,形成了电子流。为了便于叙述,今后就认为空穴在运动,而且把它当作一个正电荷来看(实际上是空穴所在的原子呈现一个单位正电荷的电量)。由于空穴和电子都带有电荷,它们的运动都形成电流,所以就统称它们为载流子。
一块不含有杂质的、品格完整的半导体叫做本征半导体。因为它品格完整,如果有一个电子从共价键中释放出来,必定留下一个空众。所以本征半导体中电子和空众总是成对地出现,它们的数日相等,称为电子一空穴对。在常温下,由于热运动的结果,在本征半导体中会产生一定数量的电子一空穴对,形成电子流和空穴流,总的电流是两者之和。如没有外界电场作用,电子和空穴的这种运动是杂乱无章的,电子流和空穴流方向也是不定的,结果互相抵消,没有净电流出现。但在电场作用下,这种半导体两端就出现电压,电子向正端方向运动,空穴向负端方向运动,形成了定向电流,半导体内就产生电流了。本征半导体因电场作用而产生的导电现象就叫本征导电。
通常,我们很少见到本征半导体,大多遇到的都是P型半导体或N型半导体。

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前面说过,半导体中加进了杂质,电阻率就大大降低。这是因为加进杂质后,空穴和电子的数目会大大增加。例如,在锗晶休中掺入很少一点三价元素铟,由于铟的价电子只有三个,渗入锗晶体后,它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键,而对相邻的第四个锗原子,它没有电于拿出来和这个锗原子“共有”了,这就留下了一个空穴(见图1一3(c))。因为掺入了少量的杂质铟,就会出现很多空穴;这是因为即使是少量的,里面含有的原子数目却不少。杂质半导体中空穴和电子数目不相等,在电场作用下,空穴导电是主要的,所以叫空穴型半导体或者说是P型半导体。换句话说,P型或空穴型半导体内是有剩余空穴的,掺入的杂质提供了剩余空穴。在P型半导体中,空穴是多数,所以称空穴为多数载流子;电子数目少,就叫少数裁流子。渗入的杂质能产生空穴接受电子,我们叫这种杂质为受主杂质。
如果把五价元素砷掺入锗晶体中,砷原子中有5个价电于,它和四个锗原子的价电子组成共价键后,留下一个剩余电子,这个剩余电子就在晶体中到处游荡,在外电场作用下形成定向电子流。掺入少量的砷杂质就会产生大量的剩余电子,所以称这种半导体为电子型半导体或N型半导体。在这种半导体中有剩余电子,这时电子是多数载流子,而空穴是少数载流子。因为砷是施给剩余电子的杂质,所以叫做施主杂质。
如果没有外电场的作用,不论N型或P型半导体,它们的载流子运动是无规则的,因此,不会形成电流。

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把一块P型半导休和N型半导体紧密联接在一起时(实际上只能用化学方法将两个原来独立的锗片合在一起).就会发现一个奇怪的现象,即在它们的两端加上适当的电压时,会产生单向导电观象。因为这时在它们的交界面上形成了一个所谓P—N结的结构,单向导电现象就发生在这一薄薄的P—N结中。P—N结是晶体管的基础,它是由扩散形成的。
我们知道,P型半导体内空穴是多数载流子,即空穴的浓度大;而N型半导体内电子是多数载流予,电子的浓度大。二者接触之后,由于在P型区和N型区内电子浓度不同,N型区的电子多,就向P型区扩散,扩散的结果如图1—4(b)所示。N型区薄层I中部分电子扩散到P型区去,薄层I便因失去电于而带正电。另一方面,P型区的空穴多,也会向空穴浓度小的N型区扩散,结果一部分空穴从薄层I向P(型区扩散,使薄层Ⅱ带负电。
电于和空穴的扩散是同时进行的,总的结果,P型区薄层Ⅱ流走了空灾,流进了电子,所以带负电,而N型区的薄层I流走了电子,流进了空穴,因而带正电,而且随着扩散现象的继续进行,薄层逐渐变厚,所带的电量也逐渐增加。不过,这种扩散现象不会无休止的进行下去;当扩散进行到一定程度后,薄层Ⅱ带了很多负电,从N型区向P型区扩散的电子总数因电子受到它的排斥不再继续增加;同样道理,从P型区向N型区扩散的空灾总数也不再增加。于是扩散似乎不再继续,而达到所谓“动态平衡状态”。这时P—N结也就形成了。
所谓P—N结,就是指薄层I和Ⅱ所构成的带电结构。因为它能阻止电子和空穴的继续扩散,所以也叫阻挡层。它们之间的电位差一般称势垒或位垒。
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我们用图来阐明P—N结的单向导电性能。依照图示方法,将P型区接电池正极,N型区接负极。向右调动电位器,使加到P—N结构端的电压逐颓增高,就会发现:当电压表读数增高时,电流表的读数也随之增大。此时,P—N结的电阻很小,这种接法叫正向联结。
若反过来,把P型区接电池负极,而N型区接正极,这时我们会发现:把电压增高到几十伏,电流的指示只有几个或几十个微安,此时P—N结的电阻很大,反向电流很快就达到饱和不再增加了。这说明电流只能沿着一个方向流过P—N结,这个现象就叫做单向导电。
单向导电现象可以这样来解释;因为在P型区接电池正极而N型区接负极时,外加电压的方向刚好和P—N结势垒电压的方向相反,使薄层Ⅱ带的负电量和薄层I带的正电量减少,因此削弱了P—N结的势垒,于是在正电压的作用下,电子和空穴的扩散又可进行,N型区的电子不断跑到P型区,P型区的空穴也不断跑到N型区,正向电流也就产生了。而且,正向电压加得越高,P—N结势垒削弱得越厉害,扩散也就越容易进行,正向电流也就越大。
当P—N结和电池反向连接时,外加电压起着增强P—N结势垒的作用,使薄层Ⅱ带的负电荷和薄层I带的正电荷增加,扩散更无法进行。这时只有P型区的少数教流子一电子和N型区的少数我流子一空穴,受外加电压作用形成微弱的反向电流。而少数栽流子的数目不多,所以在反向电压只有零点几伏时,反向电流就达到饱和了。
P—N结还有一个十分重耍的特性,即所谓反向击穿电压。当所加反向电压大到一定数值时,P—N结电阻会突然变得很小,反向电流会骤然增大,而且是无限地增大。这种现象叫P—N结的反向击穿。开始击穿时的电压数值叫反向击穿电压。它直接限制了P—N结用做整流和检波时的工作电压。
总之,一个简单的P—N结具有单向导电的特性,半导体收音机正是利用这一特性来进行整流和检波的。半导体二极管就是根据这一原理制成的。
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