文档介绍：第章半导体器件
模拟信号是指在时间上和幅值上连续变化的信号。实现对模拟信号的放大、运算、比
较、变换等处理功能的电路称为模拟电路,它是由半导体器件组成的。
半导体器件经历了分立元件、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路几代变
迁。半导体器件因为具有质量稳定、能耗少、体积小、重量轻、成本低等优点而得到广泛应
用。
学****电子技术首先要了解和掌握各种半导体器件的结构、工作原理、特性和参数,为
以后学****各种电子电路奠定基础。
半导体基础知识
在常温下,将自然界中的物质按其导电性能分为以下三类。第一类是导电性能良好的
物质,称为导体。其电阻率在以下,如铜、银、铝等金属。第二类是几乎不导电的
物质,称为绝缘体。其电阻率在以上,如玻璃、橡胶、陶瓷等材料。第三类是导电
性能介于导体和绝缘体之间的物质,称为半导体。其电阻率在之间,如
硅、锗、***化物和硫化物等材料。
半导体材料的导电能力在不同的条件下差异很大,主要体现在如下方面。
热敏性
环境温度对半导体的导电能力影响很大。对纯净半导体来说,温度越高,产生的自由
电子和空穴对就越多,导电能力就越强。基于半导体材料的这种热敏特性,可制成各种温
度敏感元件,如热敏电阻等。
)光敏性
一些半导体材料受到光照时,载流子数量会剧增,导电能力随之增强,这就是半导体
的光敏特性。利用这种特性可以制成各种光敏器件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极
管、光控晶闸管和光电池等。
掺入微量杂质对半导体导电性能的影响
纯净半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的,在常温下其数量有限,导电能力并
不很强,如果在纯净半导体中掺入某些微量杂质,其导电能力将大大增强。
本征半导体
最常用的半导体材料是硅和锗,它们的外层电子都是四个,所以硅和锗都是价元
素。外层电子受原子核的束缚力最小,称为价电子。物质的化学性质是由最外层的价电子
数决定的,半导体的导电性质也与价电子有关。硅原子和锗原子的结构简化模型如图
所示,图中的表示除外层价电子以外,所有内层电子和原子核所具有的电荷
量,整个原子呈中性。
将半导体材料硅或锗经过拉单晶工艺提炼成单晶体时,原子排列的整齐而对称,彼此
距离很近,晶体结构平面示意图如图所示。每个原子最外层的价电子,既受原来的
原子核中正电荷的吸引作用,又受到相邻原子核中的正电荷的吸引作用,可以从一个原子
转移到相邻原子上去,成为两个原子共有的价电子。每两个相邻原子间都有一对价电子。
在这种晶体结构中,原子与原子之间构成所谓共价键结构。纯净半导体材料在绝对零度
( )时,电子被共价键束缚得很紧,故没有导电能力。当温度升高时,由于热激发,一
些电子获得一定能量后会挣脱束缚成为自由电子,使半导体材料具有了一定的导电能力,
同时,在这些自由电子原有的位置上会留下相对应的空位置,称为“空穴”,空穴因失掉一
个电子而带正电。由于正负电的相互吸引,空穴附近的电子会填补这个空位置,于是又会
产生新的空穴,又会有相邻的电子来递补⋯⋯如此进行下去就形成所谓空穴运动。由热
激发产生的自由电子和空穴是成对出现的。
图硅和锗原子的图晶体的共价键结构
简化结构模型及电子空穴对的产生
自由电子和空穴都称为载流子。
因此,半导体材料在外加电压作用下出现的电流是由自由电子和空穴两种载流子的
运动形成的。这是半导体导电与金属导电机理上的本质区别。在本征半导体内掺入微量杂
质元素,会使半导体的导电性能发生显著改变。而且掺入的杂质元素不同、浓度不同,半导
体的导电性能可以人为地控制。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不
同,杂质半导体可分为型半导体和型半导体两种。
型半导体
在本征半导体中掺入少量价元素磷(或***、锑),由于磷原子数量较少,因此整个晶
体结构基本保持不变。每个磷原子的五个价电子中只有四个价电子分别与相邻四个硅(或
锗)原子的价电子构成共价键,如图所示。多余的一个价电子不在共价键中,而
磷原子核的正电荷对它的吸引束缚作用又较弱,因此,在室温下,这个多余的电子由于热
运动就能挣脱原子核的束缚,而成为自由电子。而磷原子失去一个价电子后便成为带正电
荷的离子,此正离子不能移动,因而不能参与导电。
由此可见,一个磷原子可以给出一个自由电子,那么掺入磷元素就可使半导体内的自
由电子数量剧增。除了磷原子释放出自由电子外,由于热运动使一些共价键破裂而产生电
子空穴对,其数量比磷原子释放出的自由电子数少得多。因此,在这种半导体中仍然存在
着两种载流子,但是,自由电子占绝大多数,故称为多数载流子(简称多子),而空穴则为少
数载流子(简称少子)。这种半导体主要依靠带负电的电子导