半導(dǎo)(dǎo)體

金屬（例如鋁、銅和銀）都是很好的電導(dǎo)(dǎo)體，原子周期性規(guī)(guī)則排列。原子外層電子（價(jià)(jià)電子）可以在材料中自由移動(dòng)(dòng)。由于原子的數(shù)(shù)量非常大，因此自由電子的數(shù)(shù)量更是龐大（通常在10²³cm^-3的量級(jí)(jí)），即使是非常小的電場(chǎng)都會(huì)(huì)導(dǎo)(dǎo)致很大的電子電流-因此，金屬總是呈現(xiàn)(xiàn)出很好的導(dǎo)(dǎo)電特性。

但是，絕緣體（例如二氧化硅）與導(dǎo)(dǎo)體的特性就完全個(gè)(gè)一樣。在絕緣體中，價(jià)(jià)電子在鄰近原子之間形成價(jià)(jià)鍵，從而被緊緊束縛在原子的周圍。因此，絕緣體中沒有可移動(dòng)(dòng)的自由電子，從而電導(dǎo)(dǎo)率非常低。

半導(dǎo)(dǎo)體（例如硅或者鍺）的導(dǎo)(dǎo)電特性介于導(dǎo)(dǎo)體和絕緣體之間。在極低溫時(shí)(shí)，價(jià)(jià)電子束縛在其原子周圍，形成規(guī)(guī)則的晶體。但是，隨著溫度升高，由于原予的熱擾動(dòng)(dòng)，一些價(jià)(jià)鍵斷裂，電子就會(huì)(huì)從斷裂的價(jià)(jià)鍵巾逃逸出來。這種電子具有導(dǎo)(dǎo)電能力。而且，每一個(gè)(gè)逃逸的電子將在價(jià)(jià)鍵處留下一個(gè)(gè)電荷缺陷（稱為空穴）。價(jià)(jià)鍵中的價(jià)(jià)電子如果與空穴鄰近，就很容易移動(dòng)(dòng)填入宅穴，在其原來的位置留下一個(gè)(gè)新的空穴。這種效應(yīng)(yīng)就像空穴從一個(gè)(gè)價(jià)(jià)鍵流向另一個(gè)(gè)位置。空穴的“移動(dòng)(dòng)。方向與價(jià)(jià)電子的移動(dòng)(dòng)方向相反，在電場(chǎng)中，空穴的行為就像一個(gè)(gè)正電荷。

對(duì)(duì)半導(dǎo)(dǎo)體來說，在室溫下導(dǎo)(dǎo)電是可能的。但是，熱運(yùn)(yùn)動(dòng)(dòng)產(chǎn)(chǎn)生的電子和空穴濃度都遠(yuǎn)(yuǎn)小于金屬中自由電子的濃度。通常情況，對(duì)(duì)于硅和鍺來說，每立方厘米中的載流子數(shù)(shù)典型值分別為10¹⁰和10¹³在下面的章節(jié)(jié)中，將主要分析目前的主流材料-硅。

在純凈的硅材料中添加額外的外來粒子（摻雜物）可以提高半導(dǎo)(dǎo)體中自由載流子的數(shù)(shù)量。硅（和鍺）具有四個(gè)(gè)價(jià)(jià)電子。如果摻雜物中的原子有五個(gè)(gè)價(jià)(jià)電子（例如砷、磷或者銻），將該材料摻雜進(jìn)(jìn)入半導(dǎo)(dǎo)體，這些雜質(zhì)(zhì)原子就會(huì)(huì)占據(jù)(jù)硅原子在晶格中的位置。因此，四個(gè)(gè)價(jià)(jià)電子都會(huì)(huì)參與形成四個(gè)(gè)價(jià)(jià)鍵，將原子與品格中臨近的原子綁在一起。外來雜質(zhì)(zhì)的第五個(gè)(gè)價(jià)(jià)電子沒有任何價(jià)(jià)鍵束縛，可以在材料中自由移動(dòng)(dòng)，但是，這個(gè)(gè)價(jià)(jià)電子也可能出現(xiàn)(xiàn)存任意價(jià)(jià)鍵中，從而脫離現(xiàn)(xiàn)有原子的束縛，成為自由電子。因此，這種雜質(zhì)(zhì)原子（也稱為施主原子，因?yàn)櫧湓黽恿稅雽?dǎo)體中自由電子的數(shù)(shù)量）可以改變材料的電導(dǎo)(dǎo)特性。

在純凈的硅材料：1，添加儀有三個(gè)(gè)價(jià)(jià)電子的雜質(zhì)(zhì)原子也可以提高半導(dǎo)(dǎo)體的電導(dǎo)(dǎo)率。每個(gè)(gè)雜質(zhì)(zhì)原子將缺乏一個(gè)(gè)價(jià)(jià)鍵電了，因此，這種原子就可以產(chǎn)(chǎn)牛一個(gè)(gè)空穴。這些雜質(zhì)(zhì)（例如硼、鋁和鎵等）稱為受主原子，因?yàn)榭昭〞?huì)通過接受臨近半導(dǎo)(dǎo)體原子價(jià)(jià)鍵的價(jià)(jià)電子來實(shí)(shí)現(xiàn)(xiàn)移動(dòng)(dòng)，從而產(chǎn)(chǎn)生電流。

這樣，摻雜半導(dǎo)(dǎo)休將同時(shí)(shí)存在由于熱運(yùn)(yùn)動(dòng)(dòng)形成的載流子和施主（或者受主）原子。包含施主原子的材料同時(shí)(shí)具有自由電子和空穴，其電子數(shù)(shù)量多于空穴。這種半導(dǎo)(dǎo)體也稱為N型半導(dǎo)(dǎo)體，這里N表示“Negative”（負(fù)(fù)的）。包含受主原子的材料中，空穴為多數(shù)(shù)載流子，因此稱為P型半導(dǎo)(dǎo)體，這里P表示“Positive”（正的）。

半導(dǎo)(dǎo)體上藝也可以制造出同時(shí)(shí)包含不向類型鄰近區(qū)(qū)域的結(jié)(jié)構(gòu)(gòu)（圖2.1）。將兩種類型區(qū)(qū)域結(jié)(jié)合起來的表面區(qū)(qū)域稱為PN結(jié)(jié)。當(dāng)(dāng)PN結(jié)(jié)形成時(shí)(shí)，多數(shù)(shù)載流子（N型區(qū)(qū)域的多子為電子，P型區(qū)(qū)域的多子為空穴）的隨機(jī)(jī)熱運(yùn)(yùn)動(dòng)(dòng)將使電了從N型區(qū)(qū)域流向P型區(qū)(qū)域。反之，空穴將從P型區(qū)(qū)域流向N型區(qū)(qū)域。因此，這種隨機(jī)(jī)熱運(yùn)(yùn)動(dòng)(dòng)（稱為擴(kuò)(kuò)散）會(huì)(huì)使P型半導(dǎo)(dǎo)體積累負(fù)(fù)電荷，而N型半導(dǎo)(dǎo)體積累正電荷。這種效應(yīng)(yīng)在PN

結(jié)(jié)的接觸面附近最為顯著：在P型區(qū)(qū)域，帶負(fù)(fù)電的受主原子由于空穴的引入不再呈現(xiàn)(xiàn)電中性，而（N型區(qū)(qū)域）自由載流子個(gè)(gè)再圍繞在帶正電荷的施主離子附近。因此，在PN結(jié)(jié)的附近，形成了固定離子的偶極子層（圖2.2）。偶極子層會(huì)(huì)產(chǎn)(chǎn)牛一個(gè)(gè)與多數(shù)(shù)載流子擴(kuò)(kuò)散方向相反的電場(chǎng)E，會(huì)(huì)使熱運(yùn)(yùn)動(dòng)(dòng)產(chǎn)(chǎn)牛的少數(shù)(shù)載流子（P型區(qū)(qū)域中的電子和N型區(qū)(qū)域中的空穴）從一個(gè)(gè)區(qū)(qū)域流向另一個(gè)(gè)區(qū)(qū)域。因此，在短暫的瞬態(tài)(tài)變化后，PN結(jié)(jié)中載流子狀態(tài)(tài)達(dá)(dá)到平衡。四種不同的載流子將在半導(dǎo)(dǎo)體中流動(dòng)(dòng)：多數(shù)(shù)載流子將從一個(gè)(gè)區(qū)(qū)域擴(kuò)(kuò)散至另一個(gè)(gè)區(qū)(qū)域，與電場(chǎng)E無關(guān)(guān)，少數(shù)(shù)載流子將在電場(chǎng)E的作用卜流動(dòng)(dòng)。因?yàn)殯妶?chǎng)E的效應(yīng)(yīng)會(huì)(huì)補(bǔ)(bǔ)償多數(shù)(shù)載流子的數(shù)(shù)量，所以，在平衡狀態(tài)(tài)下，這些電流將相互抵消。

如果在半導(dǎo)(dǎo)休上：焊接導(dǎo)(dǎo)線，并施加電壓，其平衡狀態(tài)(tài)將被打破（圖2.3）。首先，假設(shè)(shè)電壓源的極性是使P型區(qū)(qū)域的電壓高于N型區(qū)(qū)域的電壓，那么在圖2.3中就是V>0。然后外加電壓將降低電場(chǎng)E，從而減小了電場(chǎng)E的束縛，增加了多數(shù)(shù)載流子在邊界上的擴(kuò)(kuò)散電流。即使電場(chǎng)E只有少量減小，例如V＝0.8V，可以在電路中產(chǎn)(chǎn)生很大的多數(shù)(shù)載流子電流（例如I=lA）。因此，這種極性的電壓V就稱為正向電壓，而I也就稱為正向電流。

現(xiàn)(xiàn)在分析電壓極性相反的情況，即圖2.3中，V<0）。這樣外加電壓V將增強(qiáng)(qiáng)電場(chǎng)E，阻止多數(shù)(shù)載流子在區(qū)(qū)域問流動(dòng)(dòng)。如果V足夠大，多數(shù)(shù)載流子電流幾乎消失，只有少數(shù)(shù)載流子仍在流動(dòng)(dòng)（電子從P型區(qū)(qū)域流向N型區(qū)(qū)域，空穴從相反入向移動(dòng)(dòng)）。由于少數(shù)(shù)載流子的數(shù)(shù)量非常小，而且?guī)綴跖c外加電壓V無關(guān)(guān)，從而PN結(jié)(jié)的凈電流將非常小，基本保持恒定。這種情況下，V和I就分別稱為反向電壓和反向電流。利用圖2.3中所規(guī)(guī)定的參考方向，此時(shí)(shí)I

其中，Is表示二極管的反向飽和電流，由器件采用的材料特性以及器件幾何尺寸確定；電子電荷最q≈1.6X10-¹⁹C；玻爾茲曼常數(shù)(shù)R≈1.38X10-23J/K；T表示半導(dǎo)(dǎo)體的溫度，單位為開爾文，在室溫下（T=300K），RT/q≈26mV。Is通常都非常小，在10^-9A量級(jí)(jí)，甚至可能更低。從而可以得出，當(dāng)(dāng)V>O時(shí)(shí)，電流丁隨著電壓的升高而呈指數(shù)(shù)關(guān)(guān)系增大，而當(dāng)(dāng)V<0，電流I≈一Is，其值非常小（圖2.4）。

N型區(qū)(qū)和P型區(qū)(qū)交界區(qū)(qū)域的特性是非常重要的。如前文所述，在該區(qū)(qū)域中，多數(shù)(shù)載流子是非常稀疏的，一些載流子流進(jìn)(jìn)該區(qū)(qū)域，而同時(shí)(shí)另一些被電場(chǎng)E推回到本身原來的區(qū)(qū)域。因此，交界區(qū)(qū)域含有固定的離子，使得P型區(qū)(qū)帶有負(fù)(fù)電，而N型區(qū)(qū)帶正電(圖2.3)。因此，這一區(qū)(qū)域稱為耗盡層，其寬度隨著電場(chǎng)E的增加而增大，即在反向偏置（正向偏置）狀態(tài)(tài)下，耗盡層寬度將增大（減小）。

由于電場(chǎng)E的存在，當(dāng)(dāng)外加電壓為0時(shí)(shí)，耗盡區(qū)(qū)仍然會(huì)(huì)呈現(xiàn)(xiàn)偏置電壓ψ：（通常稱為內(nèi)(nèi)建電壓）。當(dāng)(dāng)外加電壓不為0時(shí)(shí)，PN結(jié)(jié)上總的電壓降應(yīng)(yīng)為ψi-V,通常情況下，ψi=0.5～1V。

對(duì)(duì)于V

其中，εs≈1.04pF/cm表示硅的介電常數(shù)(shù)，εs≈εoKs，這里εo表示自由空間( FreeSpace)的介電常數(shù)(shù)(εo≈8.86X10-14F/cm)；Ks≈ll.7表示硅的相對(duì)(duì)介電常數(shù)(shù)（有時(shí)(shí)為了簡(jiǎn)單也稱為介電常數(shù)(shù)）；Na(Nd)表示每立方厘米中受主原子（施主原子）的數(shù)(shù)量。

注意，電容C隨著電壓｜v｜的增大而不斷增大。

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