14 半导体器件

14.1 半导体的导电特性

• 半导体,
  • 导电能力介于导体和绝缘体间。
• 硅、锗、硒及大多数金属氧化物和
  • 硫化物

 

• 有些半导体(钴、锰、镍等的氧化物)对温度的反应灵敏,温度增高时,导电能力要强很多。
  • 做成各种热敏电阻。
• 有些半导体(如镉、铅等的硫化物与硒化物)受光照时,
  • 导电能力变很强;
  • 无光照时,又变得像绝缘体那样不导电。
• 做成了各种光敏电阻。

 

• 在纯浄的半导体中掺入微量的杂质后,导电能力就可增几十万乃至几百万倍。
• 纯硅中摻百万分之一的硼后,电阻率从$2\times 10^3\Omega \cdot m$减小到$4x10^{-3}$
• 就做成不同用途的半导体器件,
  • 二极管、双极型晶体管、场效晶体管及晶闸管

 

• 半导体何以有如此悬殊的导电特性?
  • 根本原因在于事物内部的特殊性。
• 简单介绍一下半导体物质的内部结构和导电机理。

14.1.1本征半导体

• 用得最多的半导体是锗和硅。
• 锗和硅的原子结构图,各有四个价电子,四价元素。
• 将锗或硅材料提纯(去掉无用杂质)形成单晶体后,所有原子基本上整齐排列,立体结构图与平面示意图如14.1.2和14.1.3。
• 半导体一般都具有这种晶体结构,
  • 所以半导体也称,
  • 晶体管名称的由来。

• 每个原子处于正四面体的中心,而有四个其他原子位于四面体的顶点。

 

• 本征半导体中,每个原子与相邻的四个原子结合。
• 每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
• 这对价电子是每两个相邻原子共有,
  • 它们把相邻的原子结合一起,构成共价键

 

• 共价键中,原子最外层虽有八电子而处稳定状态,
  • 但共价键中的电子不像在绝缘体中的价电子被束缚得那样紧
  • 在获得一定能量(温度高或光照)后,即可挣脱原子核東缚(电子受到激发),成为自由电子。
• 温度愈高,产生的自由电子愈多。

 

• 电子挣脱共价键束缚为自由电子,共价键就留下一个空位,称空穴。
• 一般情况原子电中性。
• 当电子挣脱共价键束缚成自由电子后,原子的电中性便被破坏,显出带正电

 

• 在外电场作用下,有空穴的原子吸引相邻原子中的价电子,填补这个空穴。
• 同时,在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另ー个空穴,它也可以由相邻原子中的价电子来递补,而在该原子中又出现一个空穴,如图14.1.4。
• 如此好像空穴在运动。
• 空穴运动方向与价电子运动方向相反,
  • 空穴运动相当于正电荷的运动。

 

• 因此,当半导体两端加外电压时,半导体中出现两部分电流:
  • 自由电子作定向运动所形成的电子电流,
  • 仍被原子核束缚的价电子(不是自由电子)递补空穴所形成的空穴电流。
• 半导体中同时存在着电子导电和空穴导电,
  • 是半导体导电方式的最大特点,
  • 也是半导体和金属在导电原理上本质差别。

 

• 自由电子和空穴都叫载流子

 

• 本征半导体中的自由电子和空穴总成对出现,同时不断复合。
• 一定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,于是半导体中的载流子(自由电子和空穴)便维持一定数目。
• 温度愈高,载流子愈多,导电性也愈好。
• 温度对半导体器件性能影响很大。

14.1.2 N型半导体和P型半导体

• 本征半导体虽有自由电子和空穴两种载流子,但数量极少,导电能
  力仍然很低。
• 如果掺入微量杂质,将使掺杂后的半导体(杂质半导体)的导电性能大大强。

 

• 杂质不同,杂质半导体可分两类。

 

• 在硅或锗的晶体掺磷(或其他五价)。
• 磷最外层五电子(图14.1.5)。
• 硅晶体的磷原子数比硅原子数少得多,整个晶体结构基本不变,
  • 只是某些位置上硅原子被磷原子取代。
• 磷原子参加共价键结构只需四电子,第五个电子易挣脱磷原子核東缚成自由电子(图14.1.6)。
• 于是半导体中的自由电子数目大增,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,故称电子半导体或N型半导体
• 室温27℃,每立方厘米纯净的硅中有自由电子或空穴
  $1.5\times 10^{10}$个,掺杂后成为N型,自由电子数目增几十万倍。
• 自由电子增多增加复合的机会,空穴数目减少到每立方厘米$2.3\times 10^5$以下。
• 故N型中,自由电子是多数载流子,空穴是少数

 

• 在硅或储晶体中掺硼(或其他三价)。
• 硼原子只有三电子(图14.1.7),故在构成共价键时,将因缺少一个电子而产生一个空位。
• 当相邻原子中的价电子受到热的或其他的激发获得能量时,就有可能填补这个空位,相邻原子便出现一空穴(图14.1.8)。
• 每一个硼原子都能提供一个空穴,于是在半导体中就形成大量空穴。
• 称为空穴半导体或P型半导体,空穴是多数,自由电子是少数

 

• 不论是N型还是P型
• 虽然都有一种载流子占多数,但整个晶体仍不带电。

练习与思考

• 电子导电和空穴导电区别?
• 空穴电流是不是由自由电子递补空穴所形成的?

 

• 杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎样产生的?
• 为什么杂质半导体中少数载流子的浓度比本征载流子的浓度小?

 

• N型中的自由电子多于空穴,而P型中的空穴多于自由电子,是否N型带负电,P型带正电?

14.2 PN结及其单向导电性

• 在一块N型局部掺浓度较大的三价杂质,使其变为P型
• 在P型和N型的交界面形成特殊的薄层,
  • PN结。

 

• 在PN结加正电压,正P,负N
• P区多数载流子空穴和N区自由电子
  • 在电场作用下通过PN结进入对方,
  • 形成大正向电流。
• 此时PN结呈低电阻,处导通。

 

• 加反向电压(反向偏置)时
• P区和N区的多数载流子受阻,难过PN结
• P区的少数载流子自由电子和N区空穴
  • 在电场作用下
  • 却通过PN结进入对方,形成反向电流
  • 少数载流子数量很少,电流极小。
• 此时PN结呈高电阻,处截止态

 

• 此即PN结的单向导电性,
• PN结是各种半导体器件的基础。

14.3 二极管

14.3.1基本结构

• PN结加上相应的电极引线和管壳,就成二极管。
• 按结构分,有点接触、面接触型和平面型。
• (一般锗管)图(a)
  • PN结结面积很小(结电容小),
  • 因此不能通过较大电流,但其高频性能好,故用于高频和小功率的工作,也用作数字电路中的开关元件。
• (一般硅管)图b
  • PN结结面积大(结电容大),
  • 故可通过较大电流,但工作频率较低,一般整流。
• c,可用作大功率整流管和数字电路中的开关管。

14.3.2伏安特性

• 二极管伏安特性曲线图14.3.3。
• 外加正向电压很低时,正向电流几乎零。
• 正向电压超过一定数后,电流增很快。
• 一定数称死区电压或开启电压
  • 与材料环境温度有关。
• 硅管死区电压0.5,锗管0.1
• 导通时的正向压降,硅管0.6-0.8V,锗0.2~0.3V

• 加反向电压时,形成很小的反向电流。
• 两特点
  • 随温度的上升増长很快;
  • 反向电压不超过某一范围时,反向电流大小基本恒定,与反向电压的高低无关,常称为反向饱和电流。
• 反向电压过高时,反向电流突然增大,失去单向导电性,称击穿。
• 击穿后,便失效。
• 击穿时加在二极管上的反向电压
  • 称反向击穿电压$U_{(BR)}$

14.3.3主要参数

• 除用伏安特性曲线表示外,还可用一些数据说明,
• 就是二极管的参数
• 主要参数有

 

• 最大整流电流$I_{OM}$
• 指二极管长时间使用时,允许流过二极管的最大正向平均
  电流。
• 点接触型几十毫安以下。
• 面接触型的较大,2CZ52A型硅二极管为100mA。
• 当电流超允许值时,PN结过热而使管坏

 

• 反向工作峰值电压$U_{RWM}$
• 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,
  • 反向击穿电压的半或三分之二。
• 2CZ52A硅二极管的反向工作峰值电压为25V,
  • 反向击穿电压约50V(图14.3.3)。
• 点接触型一般数十伏,面接触型达数百伏。

 

• 反向峰值电流$I_{RM}$
• 加反向工作峰值电压时的反向电流值。
• 大,说明二极管的单向导电性能差,且受温度影响大。
• 硅管的较小,几微安以下。
• 锗管的较大,为硅管的几十到几百倍

 

• 二极管的应用范围广,
• 都是利用它的单向导电性。
• 用于整流、检波、限幅、元件保护
  • 在数字电路中作为开关元件