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半導體器件

1.1半導體的特性1.導體：電阻率?10-4?·cm的物質。如銅、銀、鋁等金屬材料。2.絕緣體：電阻率?109?·cm物質。如橡膠、塑膠等。3.半導體：導電性能介於導體和半導體之間的物質。大多數半導體器件所用的主要材料是矽(Si)和鍺(Ge)。半導體導電性能是由其原子結構決定的。

矽原子結構圖1.1.1矽原子結構(a)矽的原子結構圖最外層電子稱價電子價電子鍺原子也是4價元素4價元素的原子常常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4(b)簡化模型

1.1.1本征半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全純淨的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。將矽或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結構為共價鍵結構。價電子共價鍵圖1.1.2單晶體中的共價鍵結構當溫度T=0K時，半導體不導電，如同絕緣體。

+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.3本征半導體中的自由電子和空穴自由電子空穴若T?，將有少數價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T?自由電子和空穴使本征半導體具有導電能力，但很微弱。空穴可看成帶正電的載流子。

1.半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴2.本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現，稱為電子-空穴對。3.本征半導體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni=pi。4.由於物質的運動，自由電子和空穴不斷的產生又不斷的複合。在一定的溫度下，產生與複合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。5.載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升高，基本按指數規律增加。ni=pi=K1T3/2e-EGO/(2kT)

1.1.2雜質半導體雜質半導體有兩種N型半導體P型半導體一、N型半導體(Negative)在矽或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質元素，如磷、銻、砷等，即構成N型半導體(或稱電子型半導體)。常用的5價雜質元素有磷、銻、砷等。

+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.4N型半導體的晶體結構本征半導體摻入5價元素後，原來晶體中的某些矽原子將被雜質原子代替。雜質原子最外層有5個價電子，其中4個與矽構成共價鍵，多餘一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。自由電子濃度遠大於空穴的濃度，即np。電子稱為多數載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數載流子(簡稱少子)。

二、P型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在矽或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質元素，如硼、鎵、銦等，即構成P型半導體。+3空穴濃度多於電子濃度，即pn。空穴為多數載流子，電子為少數載流子。3價雜質原子稱為受主原子。受主原子空穴圖1.1.5P型半導體的晶體結構

說明：1.摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決定少數載流子的濃度。3.雜質半導體總體上保持電中性。4.雜質半導體的表示方法如下圖所示。2.雜質半導體載流子的數目要遠遠高於本征半導體，因而其導電能力大大改善。(a)N型半導體(b)P型半導體圖1.1.6雜質半導體的的簡化表示法

1.2半導體二極體1.2.1PN結及其單向導電性在一塊半導體單晶上一側摻雜成為P型半導體，另一側摻雜成為N型半導體，兩個區域的交界處就形成了一個特殊的薄層(不能移動的正、負離子)，稱為PN結。PNPN結圖1.2.1PN結的形成

一、PN結中載流子的運動耗盡層空間電荷區PN1.擴散運動2.擴散運動形成空間電荷區電子和空穴濃度差形成多數載流子的擴散運動。——PN結，耗盡層。圖1.2.1PN

3.空間電荷區產生內電場PN空間電荷區內電場UD空間電荷區正負離子之間電位差UD——電位壁壘；4.漂移運動內電場有利於少子運動—漂移。少子的運動與多子運動方向相反阻擋層內電場阻止多子的擴散——阻擋層。

5.擴散與漂移的動態平衡擴散運動使空間電荷區增大，擴散電流逐漸減小；隨著內電場的增強，漂移運動(電流)逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，PN結總的電流空間電荷區的寬度約為幾微米~幾十微米；等於零，空間電荷區的寬度達到穩定。即擴散運動與漂移運動達到動態平衡。電壓壁壘UD，矽材料約為(0.6~0.8)V,鍺材料約為(0.