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半導體基礎知識及PN節

admin @ 2014-03-17 , reply:0

概述

在我們的日常生活中,經常看到或用到各種各樣的物體,它們的性質是各不相同的。有些物體,如鋼、銀、鋁、鐵等,具有良好的導電性能,我們稱它們為導體。相反,有些物體如玻璃、橡皮和塑料等不易導電,我們稱它們為絕……

在我們的日常生活中,經常看到或用到各種各樣的物體,它們的性質是各不相同的。有些物體,如鋼、銀、鋁、鐵等,具有良好的導電性能,我們稱它們為導體。相反,有些物體如玻璃、橡皮和塑料等不易導電,我們稱它們為絕緣休(或非導體)。還有一些物體,如鍺、硅、砷化稼及大多數的金屬氧化物和金屬硫化物,它們既不象導體那樣容易導屯,也不象絕緣體那樣不易導電,而是介於導體和絕緣體之間,我們把它們叫做半導體。絕大多數半導體都是晶體,它們內部的原子都按照一定的規律排列著。因此,人們往往又把半導體材料稱為晶體,這也就是晶體管名稱的由來(意思是用晶體材料做的管子)。
    物體的導電性能常用電阻率來表示。所謂電阻率,就是某種物體單位長度及單位截面積的體積內的電阻值。電阻率越小,越容易導電;反之,電阻率越大,越難導電。
導體、絕緣體的電阻率值隨溫度的影響而變化很小。但溫度變化時,半導體的電阻率變化卻很激烈;每升高1℃,它的電阻率下降達百分之幾到百分之幾十。不僅如此,當溫度較高時,整體電阻甚至下降到很小,以致變成和導體一樣。
    在金屬或絕緣體中,如果雜質含量不超過干分之一,它的電阻率變化是微不足道的。但半導體中含有雜質時對它的影響卻很大。以鍺為例,只要含雜質一千萬分之一,電阻率就下降到原來的十六分之一。

    鍺是典型的半導體元素,是製造晶體管的一種常用材料(註:當前的半導體元器件生產以硅Silicon材料為主)。現以鍺為例來說明如何會在半導體內產生電流、整流性能和放大性能。
 
 

    我們知道,世界上的任何物質都是由原了構成的。原子中間都有一個原子核和者圍繞原子核不停地旋轉酌電子。不同元素的原子所包含的電子數目是不同的。蔗原子的原子核周圍有32個電子,圍繞著原子核運動。原子核帶有正電荷.電子帶有負電荷;正電荷的數量剛好和全部電子的負電荷數量相等,所以在平時鍺原子是中性的。
    電子圍繞原子核運動,和地球圍繞太陽遠行相似。在核的引力作用下,電子分成幾層按完全確定的軌道運行,而且各層所能容納的電子數日也有一定規律。如圖所示:在鍺原子核周圍的32個電子組成四層環,圍繞原子核運動。從里往外數,第一層環上有2個電子,其餘依次為8、18、4個電子。凡是環上的電子數為2、 8、18時.這些環上的電子總是比較穩定的。若環上的電子數不等於以上各數時,這些環上的電子總是不太穩定。
    因此,鍺原子結構中,第一、二、三層的電於是穩定的,只有第四層(即最外一“層)的4個電於是不穩定的。因最外一層的電子沒有填滿到規疾的數目。我們把最外一層的電子叫做價電子。一般來說,最外層有幾個價電子,其原子價就為幾。鍺的最外層有4個價電子,所以鍺的原子價為4。
    受外界作用,環上的電子可以克服原子核的吸引力而脫離原子,自由活動成為自由電子。這些自由電子在電場力的作用下,產生空間運動,就形成了電流。可以想像,由於最外層的價電子離核比較遠,所受引力最小,所以最容易受外界影響而形成自由電子。因此,從導電性能看,價電子是很重要的。我們所說的鍺元素就是依靠它最外層的4個價電子進行導電的。     鍺晶體內的原子很整齊的排列著。各個原子間有相互排斥的力量,而每個原子除了吸引自己的價電子外,還吸引相鄰原子的價電子。因此,兩個相鄰原子的價電子便成對地存在。這一對電子同時受這兩個原子核的吸引,為它們所“共有”。這兩個相鄰原子也通過這個電子對被聯繫在一起。這樣,電子對就好像起了鍵(聯結)的作用,我們叫它共價鍵。每一個鍺原子以其4個價電子與其他4個鍺原子的價電子組成4個共價鍵而達到穩定狀態。
    在理想情況下,鍺晶體中所有的價電子都織成了電子對,因此沒有自由電子,這時鍺晶體是不易導電的。    但在外力作用下,如受溫度變化,其中可能會有一個價電子脫離鍵的束縛,掙脫共價鍵而跳出來,成為自由電子。這時共價鍵中出現了一個空位,我們把這個空位叫做空穴。由於原子本身正電荷和負電荷相等,故原子失去了電子后,整個原子就帶正電荷,稱為正離子。正離子容易吸引相鄰原子的價電子來填補,電子離開后所留下的空位,使相鄰原子中又出現空穴,而這個新出現的空穴,又可能為別的電子去填充。電子這樣不斷地填充空穴,就使空穴的位置不斷地在原子問轉移。空穴的轉移,實際上也是電子(電荷)的運動,所以也就形成電流,這叫做空穴流。而原來失去的屯子,在晶體中運動,形成了電子流。為了便於敘述,今後就認為空穴在運動,而且把它當作一個正電荷來看(實際上是空穴所在的原子呈現一個單位正電荷的電量)。由於空穴和電子都帶有電荷,它們的運動都形成電流,所以就統稱它們為載流子。

    通常,我們很少見到本徵半導體,大多遇到的都是P型半導體或N型半導體。

 

    前面說過,半導體中加進了雜質,電阻率就大大降低。這是因為加進雜質后,空穴和電子的數目會大大增加。例如,在鍺晶休中摻入很少一點三價元素銦,由於銦的價電子只有三個,滲入鍺晶體后,它的三個價電子分別和相鄰的三個鍺原子的價電子組成共價鍵,而對相鄰的第四個鍺原子,它沒有電於拿出來和這個鍺原子“共有”了,這就留下了一個空穴(見圖1一3(c))。因為摻入了少量的雜質銦,就會出現很多空穴;這是因為即使是少量的,裡面含有的原子數目卻不少。雜質半導體中空穴和電子數目不相等,在電場作用下,空穴導電是主要的,所以叫空穴型半導體或者說是P型半導體。換句話說,P型或空穴型半導體內是有剩餘空穴的,摻入的雜質提供了剩餘空穴。在P型半導體中,空穴是多數,所以稱空穴為多數載流子;電子數目少,就叫少數裁流子。滲入的雜質能產生空穴接受電子,我們叫這種雜質為受主雜質。

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