教学课件 电子线路基础(第二版)(闵锐)

式（1-1）表明，本征半导体的载流子浓度和温度、 材料有关。尽管本征半导体 在室温情况下具有一定的导电能力，但是，本征半导体中载流子的数目远小于原子数 目，因此本征半导体的导电能力是很低的。
1.1.2 杂质半导体
1． N型半导体
在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、锑等，使原来晶格 中的某些硅原子被杂质原子所取代，便构成N型半导体。由于杂质原子有五个价电子， 其中四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子形成共价键，还剩一个价电子，这个价 电子不受共价键的束缚，只受原子核的吸引，在室温下，该价电子所获得的热能使它 摆脱原子核的吸引而成为自由电子，则杂质原子因失去一个价电子而成为不能移动的 杂质正离子，如图1-4所示。
用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间， 而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这 就是半导体的热敏特性、 光敏特性和掺杂特性。例如，纯净的半导体硅，当温度从 30℃升高到40℃时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30℃升高到100℃时， 电阻率的增加还不到 1 倍。又如，纯净硅在室温时的电阻率为 2.14×105Ω·cm，如果 在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999％，但它的 电阻率却下降到 0.2 Ω·cm，几乎减少到原来的百万分之一。可见， 当半导体受热或掺 入杂质后，导电性能会发生变化。人们利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种 热敏元件和光敏元件， 利用掺杂特性制成的PＮ结是各种半导体器件的主要组成部分。
ni pi KT e 3/ 2 Eg0 /( 2kT )
（1-1）
式中，浓度单位为cm-3，K是常量（硅为3.88×1016 cm-3K-3/2，锗为1.76×1016cm-3K3/2），T为热力学温度，k是玻尔兹曼常数（8.63×10-5 eV/K），Eg0 是T=0K（即-273℃） 时的禁带宽度（硅为1.21 eV， 锗为0.785 eV）。
第1章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管
1.1 半导体基础知识
在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。通常将很容易导电、 电阻率小于10-4Ω·cm的物质，称为 导体，例如铜、铝、银等金属材料; 将很难导电、电阻率大于1010Ω·cm的物质，称 为绝缘体， 例如塑料、橡胶、陶瓷等材料; 将导电能力介于导体和绝缘体之间、电 阻率在10-3~109Ω·cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si)和锗 (Ge)。
图 1-3 电子-空穴对的产生和空穴的移动
3． 热平衡载流子的浓度
在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程， 当温度一定时， 两种 状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等， 这种状态称为热平衡状态。
半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）ni和pi来表 示。处于热平衡状态下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓 度和空穴的浓度相等。 根据半导体物理中的有关理论，可以证明
图 1-2 硅度（T=-273℃或T=0 K）下，本征半导体中的每个价电子都被束缚在共 价键中，不存在自由运动的电子，本征半导体相当于绝缘体。 但在室温下 （T=27℃或T=300 K），本征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱 共价键的束缚成为自由电子，与此同时，在该共价键上留下了空位，这个空位称为 空穴。由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电 子与空穴成对产生，称之为电子-空穴对。这种由于本征半导体受热而产生电子-空 穴对的现象称为本征激发。
1.1.1 本征半导体
纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。
1． 本征半导体的晶体结构
常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）的原子序数分别为14和32，它们的原子结构 如图1-1（a）和（b）所示。由图可见，硅和锗原子的最外层轨道上都有四个电子，同 属于四价元素。由于内层电子受原子核的束缚力很大，很难脱离原子核，为简化起见， 将内层电子和原子核看成一个整体， 称为惯性核，它的净电量是四个正电子电量。最 外层的四个电子受原子核的束缚力较小，有可能成为自由电子，常称为价电子。 硅或 锗原子的简化模型如图1-1（c）所示。
图 1-1 (a) 硅； (b) 锗； (c) 原子简化模型
硅和锗都是晶体，晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵——称为晶格。整块晶体 内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单晶体即为本征半导体。硅或锗制 成单晶体后，相邻两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但受本身原子核的吸引， 而且受相邻原子核的吸引，从而将两个原子牢固地束缚在一起， 这种共用价电子所形 成的束缚作用就叫共价键。硅或锗原子最外层的四个价电子，正好和相邻的四个原子 中的价电子组成四个共用电子对，构成四个共价键，使每个硅或锗原子的最外层电子 获得稳定结构，如图1-2所示。
图 1-4 N型半导体结构示意图
在N型半导体中，由于杂质原子产生自由电子的同时并不产生空穴，因此自由电 子的浓度远大于空穴的浓度， 故称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少 数载流子（简称少子）。由于五价杂质原子能释放出电子，因此这类杂质原子称为施 主原子。
2．P型半导体
在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。 由于杂质原子只有三个价电子，当杂质原子替代硅原子的位置后，杂质原子的三个价电 子仅与相邻的三个硅原子的价电子形成共价键，与第四个相邻的硅原子不能构成完整的 共价键而出现一个空位。这个空位极易接受其它硅原子共价键中的价电子，使杂质原子 成为带负电的杂质负离子，同时硅原子的共价键中因缺少一个价电子而产生一个空穴， 如图1-5所示。