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半导体

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发表于 2023-12-19 17:58:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

半导体(Semiconductor)

半导体是电阻率介于导体和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。在室温时,半导体的电阻率约在 $10^{-5}~10^7$ Ω·m(欧·米)之间,温度升高时电阻率指数则减小。半导体导带和价带距离适中,即禁带宽度适中,因此价带中的电子在常见能量级别的激励下,例如光、热和电压,即可进入导带,导致半导体电阻率变化。

本征半导体(Intrinsic Semiconductor)

本征半导体是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。

单晶硅的每个硅原子和其周围的硅原子组成 8 电子稳定结构。一般情况下,电子-空穴对较少,具有较大的电阻率。在温度和光照的作用下,电子会变得更加活跃,载流子增多,电阻率下降。

N 型半导体(N-type semiconductors)

在本征半导体中掺入少量杂 Ⅴ 族质元元素(磷、砷、锑等),由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,杂质原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键,多出的一个电子几乎不受束缚,较为容易地成为自由电子。于是,N 型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体,其导电性主要是因为自由电子导电。该类杂质原子称为施主。多数载流子为电子。

P 型半导体

P 型半导体则通常是由在锗、硅类半导体材料中掺杂适量三价元素(Ⅲ 族元素)硼、铟、镓等而形成。由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,杂质原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候,会产生一个“空穴”。因为三价元素的原子与周围的四价原子还差一个电子才能形成稳定的结构,所以容易“勾引”别的电子以达到稳定结构。多数载流子为空穴。

PN 结

采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为 PN 结(PN junction)。PN 结中的内电场阻止了空穴向 N 区扩散,也阻止了电子向 P 区扩散,至此,扩散过程达到平衡。要想让 PN 结导通形成电流,必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然,给它加一个反方向的更大的电场,即 P 区接外加电源的正极,N 区结负极,就可以抵消其内部自建电场,使载流子可以继续运动,从而形成线性的正向电流。而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大,PN 结不能导通,仅有极微弱的反向电流(由少数载流子的漂移运动形成,因少子数量有限,电流饱和)。当反向电压增大至某一数值时,因少子的数量和能量都增大,会碰撞破坏内部的共价键,使原来被束缚的电子和空穴被释放出来,不断增大电流,最终 PN 结将被击穿(变为导体)损坏,反向电流急剧增大。

PN 结特性

  • 单向导电性
    PN 结加正向电压时导通(存在导通电压,抵消 PN 结内电场),PN 结加反向电压时截止(PN 结呈现高阻性,存在反向饱和电流)。

  • 反向击穿性

  • 电容特性


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