PN结及半导体基础知识

什么是PN结及半导体基础知识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。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。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。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。PN结PN结（PNjunction）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PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P型半导体一边的空间电荷是负离子，N型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以