第2章§2.1半導體基礎知識習題
2.1 半導體基礎知識
2.1.1. 導體、絕緣體和半導體
自然界的物質，就其導電性能，大致分為三類：一類是導電性能良好的物質叫如銀、銅、鋁、鐵等金屬；另一類是在一般條件下不能導電的物質叫如陶瓷、塑料、橡膠、玻璃等；還有一類物質，其導電性能介於導體和絕緣體之間稱之為如矽、鍺、砷化鎵等。
物質的導電性能之所以不同，根本原因在於構成各種物質的原子結構不同，原子和原子間的結合方式也各不相同。圖7.1.
1(a)、(b)所示為常見的半導體材料矽和鍺的原子結構示意圖，它們分別有14個和32個電子，但最外層均為4個價電子。【了解】
半導體導電性能有如下兩個顯著特點：
（1往純淨的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力和內部結構發生變化。
（2當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。
2.1.2 半導體型別及其導電性能
1、半導體型別：
半導體材料可按化學組成，可分為半導體（鍺ge，矽si等 ）和化合物半導體（砷化鎵gaas）；按其是否含有雜質，可分為半導體；按其導電型別可分為
按其載流子型別可分為
2、單晶體和多晶體
日常所見到的固體分為和晶體兩大類，非晶體物質的內部原子排列沒有一定的規律，當斷裂時斷口也是隨機的，如塑料和玻璃等。而稱之為晶體的物質，外形呈現天然的有規則的多面體，具有明顯的稜角與平面，其內部的原子是按照一定的規律整齊的排列起來，所以破裂時也按照一定的平面斷開，如食鹽、水晶等。
有的晶體是由許許多多的小晶粒組成，若晶粒之間的排列沒有規則，這種晶體稱之為 ，如金屬銅和鐵。但也有晶體本身就是乙個完整的大晶粒，這種晶體稱之為如水晶和晶剛石。
只有的半導體才適合製作半導體器件。
3. 本徵半導體
不含任何雜質的單晶半導體，稱為半導體。本徵半導體的共價鍵結構如圖7.1.
2所示。在常溫下，本徵半導體只要得到一定的外界能量，有少數價電子就能掙脫共價鍵和原子核對它的束縛，從而成為自由電子(以後簡稱電子)，同時在原來的位置中留下乙個空位，稱它為空穴，如圖7.1.
3所示。在本徵半導體中，自由電子和空穴是成對出現的，常稱為本徵半導體受熱或得到其它能量而激發出電子-空穴對的現象稱為
由於出現了空穴，原來顯中性的矽或鍺原子就變成了帶正電的離子，這個正電荷可以認為是空穴所具有的。空穴既是晶格中少了電子而出現的，那麼鄰近的共有電子就可以來填補，這種填補可以認為是空穴攜帶正電荷在移動。在外電場的作用之下，本徵半導體中的自由電子和空穴都可以攜帶電荷作定向移動，即形成電子電流和空穴電流。
流過半導體的總電流即為這兩種電流之和。因為自由電子和空穴都能運載電流，所以把它們統稱為空穴可看成帶正電的載流子。
本徵半導體在常溫下激發出的電子-空穴對是很少的，所以它的導電能力相當弱。常溫下，本徵半導體所能提供的載流子數目很少，如何提高它們的導電性能呢？
在本徵半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可以使半導體的導電性能大大提高。摻入雜質的本徵半導體稱為雜質半導體。在雜質半導體中，因摻入元素的不同，可分為兩大類即電子半導體(n型半導體)和空穴半導體(p型半導體)。
4. n型半導體(negative,表示負的意思)
在本徵半導體矽或鍺的晶體內摻入微量的價元素雜質，如磷，銻等，就形成了n型半導體。由於所摻雜質其數量甚微，整體晶體結構基本不變。但晶體點陣中某些位置的矽原子將被磷原子所取代。
磷原子最外層有5個價電子，它以4個價電子與相鄰矽原子組成共價鍵後，還多餘1個價電子。這個價電子不受共價鍵的束縛，通常在常溫下即可脫離磷原子而成為自由電子，如圖7.1.
4所示。能給出多餘價電子的雜質稱為施主雜質。
磷原子由於丟失1個價電子而成為帶正電的磷離子，叫施主離子。正離子數目與電子數目相等，n型半導體仍然是的。磷離子不能移動，不能參與導電。
摻入1個磷原子則得到1個正離子和自由電子。由此可見，n型半導體中自由電子數目可以人為控制，摻入微量磷元素就可以使半導體的自由電子數猛增，但卻不增加空穴數量。這點與本徵半導體產生電子不同，有1個電子必有乙個空穴。
相反由於自由電子增多，還增加了空穴被復合的機會，所以使空穴數量反而減少。因此，n型半導體中自由電子佔絕大多數為其多數載流子， 則為少數載流子。n型半導體主要靠帶負電的電子進行導電。
5．p型半導體 (positive, 表示正的意思)
在本徵半導體中摻進微量的三價元素，如硼，就構成了半導體。硼原子最外層有3個價電子，摻入後，晶體點陣中某些位置為硼原子所取代，它以3個價電子與周圍3個矽原子組成3個完整的共價鍵，還有1個共價鍵缺少1個價電子，因而在1個共價鍵上要出現1個空位，即空穴，如圖7.1.
5所示。在p型半導體中，空穴數遠大於自由電子數。在這種半導體中，以空穴導電為主，故為多數載流子，而為少數載流子。
6．雜質對半導體導電性能的影響
摻入雜質以後使半導體的導電性能有很大的增強，研究表明，摻入百萬分之一的雜質，可使半導體的載流子數目增加百萬倍，所以雜質半導體可被我們用來製作半導體器件。
2.1.3 pn結及其單向導電性
經過特殊的工藝加工，將p型半導體和n型半導體緊密地結合在一起，則在兩種半導體的交介面處就會出現乙個具有特殊物理現象的極薄區域，稱它為pn結，pn結是構成半導體二極體、半導體三極體和半導體場效電晶體等器件的基礎。
*1. pn結的形成
當p型半導體與n型半導體結合在一起時，由於p型半導體中空穴為多子，n型半導體中空穴為少子，這樣就形成了乙個空穴濃度差。由於這個濃度差的存在，在p區的空穴就要向n區擴散。同理，n區的電子也要向p區擴散。
我們把因為濃度差而造成多數載流子的定向運動稱作
在擴散的過程中，電子和空穴相遇後復合，p型半導體在交界附近只剩下不可動的負電荷，n型半導體在交界附近只剩下不可動的正電荷，於是便在交介面的兩側形成乙個這就是pn結，也稱耗盡層，如圖7.2.1所示。
圖7.2.1中，pn結的右邊帶正電，電位較高，左邊帶負電，電位較低，由此建立了乙個內電場，其方向由n區指向p區。
如圖7.2.1所示，載流子要擴散到對方去，就必然要通過此電場。
帶電體進入電場要受到電場力的作用，空穴帶正電，它受到乙個與電場方向相同而與它的擴散方向相反的力；電子帶負電，它受到乙個與電場方向相反，也與它的擴散方向相反的力。因此，內電場的建立對多數載流子的擴散運動起著乙個阻礙作用，所以pn結也叫阻擋層，它就象乙個壁壘似的，所以又稱它為勢壘。阻擋層一方面對多數載流子的擴散運動有阻礙作用，另方面，對兩個區的少數載流子向對方運動卻有促進作用，我們把這種在電場力的作用下少數載流子的定向運動稱作
由此可見，在pn結建立過程中，載流子的運動形成有兩種，即擴散運動和漂移運動。剛開始時，擴散運動強於漂移運動，隨著空間電荷區的加寬，內電場增強，擴散運動減弱，而漂移運動增強。直到擴散運動和漂移運動的作用相等時，擴散運動和漂移運動達到了動態平衡，即擴散過去的載流子數和漂移過來的載流子數相等。
這時空間電荷區不再加寬，內電場不再增強，便形成了固定的pn結。
2. pn結的單向導電性
當pn結無外加電壓時，擴散運動和漂移運動處於平衡狀態。當有外加電壓時，就打破了這種平衡。
(1) 加正向電壓pn結導通
如圖7.2.2，pn結兩端加正向電壓時，即p區接電源極，n區接電源極，外加電壓建立的外電場與內電場方向相反，因而削弱了內電場的作用，使勢壘降低，pn結空間電荷區有利於擴散運動，電路中有較大的正向電流。
由於外電場可以不斷補充多子，所以多子可以源源不斷地擴散過pn結，形成較大的電流，此時pn結呈低阻性。正向電壓越大，阻擋層薄，pn結正向電阻越小，此時正向電流也就越大，這時我們說pn結外加正向電壓時處於導通狀態，又稱正向偏置，簡稱正偏。
(2) 加反向電壓pn結截止
如圖7.2.3所示，給pn結加反向電壓時，外加電場的方向與內電場的方向相同，因而加強了內電場的作用，使勢壘加高，也就是使pn結的阻擋層變 。
於是擴散運動減弱，甚至無法進行。但是這時漂移運動卻得到增強，使p區的少子(電子)和n區的少子(空穴)在電場的作用下通過pn結，形成反向電流。由於少子數目很少，形成的反向電流是很小的。
此時pn結呈高阻性，忽略反向電流，pn結處於截止狀態。反向電壓越大，阻擋層越厚，pn結的反向電阻也越大。
反向電流與反向電壓基本無關，所以反向電流又稱為反向飽和電流。必須指出：反向電流雖然很小，但它與溫度有密切的關係。
隨著溫度的公升高，本徵激發的電子-空穴對增加，少子增加，反向電流也就增加。
從上述可知， pn結加正向電壓時，pn結導通；加反向電壓時，pn結截止。這種特性稱為pn結的
【練習】
1、半導體中兩種載流子：帶負電的和帶正電的
2、本徵半導體中，自由電子和空穴總是成對出現，稱為對。
3、雜質半導體有兩種和p 型半導體。
4、在本徵半導體矽或鍺的晶體內摻入微量的五價元素雜質，如磷，銻等，就形成
5、n 型半導體稱為多數載流子(簡稱多子稱為少數載流子(簡稱少子)。
6、在本徵半導體中摻進微量的三價元素，如硼，就構成了
7、p 型半導體為多數載流子為少數載流子。
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