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§2.1半导体基础知识习题复习题.1第2章§2.1半导体基础知识习题与参考答案2.1半导体基础知识2.1.1.导体、绝缘体和半导体自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类：一类是导电性能良好的物质叫导体，如银、铜、铝、铁等金属；另一类是在一般条件下不能导电的物质叫绝缘体，如陶瓷、塑料、橡胶、玻璃等；还有一类物质，其导电性能介于导体和绝缘体之间称之为半导体，如硅、锗、砷化镓等。物质的导电性能之所以不同，根本原因在于构成各种物质的原子结构不同，原子和原子间的结合方式也各不相同。图7.1.1(a)、(b)所示为常见的半导体材料硅和锗的原子结构示意图，它们分别有14个和32个电子，但最外层均为4个价电子。【了解】半导体导电性能有如下两个显著特点：（1）参杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。（2）敏感性：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。2.1.2半导体类型及其导电性能1、半导体类型：半导体材料可按化学组成，可分为元素半导体（锗Ge，硅Si等）和化合物半导体（砷化镓GaAs）；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型可分为N型半导体和P型半导体；按其载流子类型可分为电子型半导体和离子型半导体。2、单晶体和多晶体日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类，非晶体物质的内部原子排列没有一定的规律，当断裂时断口也是随机的，如塑料和玻璃等。而称之为晶体的物质，外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐的排列起来，所以破裂时也按照一定的平面断开，如食盐、水晶等。有的晶体是由许许多多的小晶粒组成，若晶粒之间的排列没有规则，这种晶体称之为多晶体，如金属铜和铁。但也有晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种晶体称之为单晶体，如水晶和晶刚石。只有单晶结构的半导体才适合制作半导体器件。3.本征半导体不含任何杂质的单晶半导体，称为本征半导体。本征半导体的共价键结构如图7.1.2所示。在常温下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱共价键和原子核对它的束缚，从而成为自由电子(以后简称电子)，同时在原来的位置中留下一个空位，称它为空穴，如图7.1.3所示。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为电子-空穴对。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征激发。由于出现了空穴，原来显中性的硅或锗原子就变成了带正电的离子，这个正电荷可以认为是空穴所具有的。空穴既是晶格中少了电子而出现的，那么邻近的共有电子就可以来填补，这种填补可以认为是空穴携带正电荷在移动。在外电场的作用之下，本征半导体中的自由电子和空穴都可以携带电荷作定向移动，即形成电子电流和空穴电流。流过半导体的总电流即为这两种电流之和。因为§2.1半导体基础知识习题复习题.2自由电子和空穴都能运载电流，所以把它们统称为载流子。空穴可看成带正电的载流子。本征半导体在常温下激发出的电子-空穴对是很少的，所以它的导电能力相当弱。但是，所激发出的电子-空穴对数目将随着温度(外界所给能量)的变化而变化，因此在外加电压一定的情况下，所形成的电流也将随着温度的变化而变化。常温下，本征半导体所能提供的载流子数目很少，如何提高它们的导电性能呢？在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可以使半导体的导电性能大大提高。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。在杂质半导体中，因掺入元素的不同，可分为两大类即电子半导体(N型半导体)和空穴半导体(P型半导体)。4.N型半导体(Negative)在本征半导体硅或锗的晶体内掺入微量的五价元素杂质，如磷，锑等，就形成了N型半导体。由于所掺杂质其数量甚微，整体晶体结构基本不变。但晶体点阵中某些位置的硅原子将被磷原子所取代。磷原子最外层有5个价电子，它以4个价电子与相邻硅原子组成共价键后，还多余1个价电子。这个价电子不受共价键的束缚，通常在常温下即可脱离磷原子而成为自由电子，如图7.1.4所示。能给出多余价电子的杂质称为施主杂质。磷原子由于丢失1个价电子而成为带正电的磷离子，叫施主离子。正离子数目与电子数目相等，N型半导体仍然是中性的。磷离子不能移动，不能参与导电。掺入1个磷原子则得到1个正离子和自由电子。由此可见，N型半导体中自由电子数目可以人为控制，掺入微量磷元素就可以使半导体的自由电子数猛增，但却不增加空穴数量。这点与本征半导体产生电子不同，有1个电子必有一个空穴。相反由于自由电子增多，还增加了空穴被复合的机会，所以使空穴数量反而减少。因此，N型半导体中自由电子占绝大多数，自由电子为其多数载流子，空穴则为少数载流子。N型半导体主要靠带负电的电子进行导电。5．P型半导体在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。硼原子最外层有3个价电子，掺入后，晶体点阵中某些位置为硼原子所取代，它以3个价电子与周围3个硅原子组成3个完整的共价键，还有1个共价键缺少1个价电子，因而在1个共价键上要出现1个空位，即空穴，如图7.1.5所示。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数。在这种半导体中，以空穴导电为主，故空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。§2.1半导体基础知识习题复习题.36．杂质对半导体导电性能的影响掺入杂质以后使半导体的导电性能有很大的增强，研究表明，掺入百万分之一的杂质，可使半导体的载流子数目增加百万倍，所以杂质半导体可被我们用来制作半导体器件。2.1.3PN结及其单向导电性经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结，PN结是构成半导体二极管、半导体三极管和半导体场效应管等器件的基础。*1.PN结的形成当P型半导体与N型半导体结合在一起时，由于P型半导体中空穴为多子，N型半导体中空穴为少子，这样就形成了一个空穴浓度差。由于这个浓度差的存在，在P区的空穴就要向N区扩散。同理，N区的电子也要向P区扩散。我们把因为浓度差而造成多数载流子的定向运动称作扩散运动。在扩散的过程中，电子和空穴相遇后复合，P型半导体在交界附近只剩下不可动的负电荷，N型半导体在交界附近只剩下不可动的正电荷，于是便在交界面的两侧形成一个空间电荷区，这就是PN结，也称阻挡层，耗尽层，如图7.2.1所示。图7.2.1中，PN结的右边带正电，电位较高，左边带负电，电位较低，由此建立了一个内电场，其方向由N区指向P区。如图7.2.1所示，载流子要扩散到对方去，就必然要通过此电场。带电体进入电场要受到电场力的作用，空穴带正电，它受到一个与电场方向相同而与它的扩散方向相反的力；电子带负电，它受到一个与电场方向相反，也与它的扩散方向相反的力。因此，内电场的建立对多数载流子的扩散运动起着一个阻碍作用，所以PN结也叫阻挡层，它就象一个壁垒似的，所以又称它为势垒。阻挡层一方面对多数载流子的扩散运动有阻碍作用，另方面，对两个区的少数载流子向对方运动却有促进作用，我们把这种在电场力的作用下少数载流子的定向运动称作漂移运动。由此可见，在PN结建立过程中，载流子的运动形成有两种，即扩散运动和漂移运动。刚开始时，扩散运动强于漂移运动，随着空间电荷区的加宽，内电场增强，扩散运动减弱，而漂移运动增强。直到扩散运动和漂移运动的作用相等时，扩散运动和漂移运动达到了动态平衡，即扩散过去的载流子数和漂移过来的载流子数相等。这时空间电荷区不再加宽，内电场不再增强，便形成了固定的PN结。2.PN结的单向导电性当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动处于平衡状态。当有外加电压时，就打破了这种平衡。(1)加正向电压PN结导通如图7.2.2，PN结两端加正向电压时，即P区接电源正极，N区接电源负极，外加电压建立的外电场与内电场方向相反，因而削弱了内电场的作用，使势垒降低，PN结空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。由于外电场可以不断补充多子，所以多子可以源源不断地扩散过PN结，形成较大的电流，此时PN结呈低阻性。正向电压越大，阻挡层薄，PN结正向电阻越小，此时正向电流也就越大，这§2.1半导体基础知识习题复习题.4时我们说PN结外加正向电压时处于导通状态，又称正向偏置，简称正偏。(2)加反向电压PN结截止如图7.2.3所示，给PN结加反向电压时，外加电场的方向与内电场的方向相同，因而加强了内电场的作用，使势垒加高，也就是使PN结的阻挡层变宽。于是扩散运动减弱，甚至无法进行。但是这时漂移运动却得到增强，使P区的少子(电子)和N区的少子(空穴)在电场的作用下通过PN结，形成反向电流。由于少子数目很少，形成的反向电流是很小的。此时PN结呈高阻性，忽略反向电流，PN结处于截止状态。反向电压越大，阻挡层越厚，PN结的反向电阻也越大。反向电流与反向电压基本无关，所以反向电流又称为反向饱和电流。必须指出：反向电流虽然很小，但它与温度有密切的关系。随着温度的升高，本征激发的电子-空穴对增加，少子增加，反向电流也就增加。从上述可知，PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的单向导电性。【练习】1、半导体中两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴2、本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3、杂质半导体有两种：N型半导体和P型半导体。4、在本征半导体硅或锗的晶体内掺入微量的五价元素杂质，如磷，锑等，就形成N型半导体。5、N型半导体自由电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。6、在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。7、P型半导体空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。8.杂质半导体总体上保持电中性。9、将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结。10.P型半导体和N型半导体在交界面的两侧形成一个空间电荷区，这就是PN结，也称阻挡层，耗尽层。11、PN结两端加正向电压时，即P区接电源正极，N区接电源负极12、PN结两端加正向电压时，PN结空间电荷区变窄，PN结正向电阻小13、PN结两端加反向电压时，PN结空间电荷区变宽，PN结反向电阻大14、PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的单向导电性。15、半导体中存在的两种携带电荷参与导电的“粒子”，称为载流子16、不含任何杂质的单晶半导体，称为本征半导体。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征激发。本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。17、当P型半导体与N型半导体结合在一起时，由于P型半导体中空穴为多子，N型半导体中空穴为少子，这样就形成了一个空穴浓度差。由于这个浓度差的存在，在P区的空穴就要向N区扩散。同理，N区的电子也要向P区扩散，因为浓度差而造成载流子的定向运动称作扩散运动。另方面，对两个区的少数载流子向对方运动却有促进作用，我们把这种在电场力的作用下载流子的定向运动称作漂移运动。