半導體

金屬（例如鋁、銅和銀）都是很好的電導體，原子周期性規則排列。原子外層電子（價電子）可以在材料中自由移動。由于原子的數量非常大，因此自由電子的數量更是龐大（通常在10²³cm^-3的量級），即使是非常小的電場都會導致很大的電子電流-因此，金屬總是呈現出很好的導電特性。

但是，絕緣體（例如二氧化硅）與導體的特性就完全個一樣。在絕緣體中，價電子在鄰近原子之間形成價鍵，從而被緊緊束縛在原子的周圍。因此，絕緣體中沒有可移動的自由電子，從而電導率非常低。

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

對半導體來說，在室溫下導電是可能的。但是，熱運動產生的電子和空穴濃度都遠小于金屬中自由電子的濃度。通常情況，對于硅和鍺來說，每立方厘米中的載流子數典型值分別為10¹⁰和10¹³在下面的章節中，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）可以提高半導體中自由載流子的數量。硅（和鍺）具有四個價電子。如果摻雜物中的原子有五個價電子（例如砷、磷或者銻），將該材料摻雜進入半導體，這些雜質原子就會占據硅原子在晶格中的位置。因此，四個價電子都會參與形成四個價鍵，將原子與品格中臨近的原子綁在一起。外來雜質的第五個價電子沒有任何價鍵束縛，可以在材料中自由移動，但是，這個價電子也可能出現存任意價鍵中，從而脫離現有原子的束縛，成為自由電子。因此，這種雜質原子（也稱為施主原子，因為其增加了半導體中自由電子的數量）可以改變材料的電導特性。

在純凈的硅材料：1，添加儀有三個價電子的雜質原子也可以提高半導體的電導率。每個雜質原子將缺乏一個價鍵電了，因此，這種原子就可以產牛一個空穴。這些雜質（例如硼、鋁和鎵等）稱為受主原子，因為空穴會通過接受臨近半導體原子價鍵的價電子來實現移動，從而產生電流。

這樣，摻雜半導休將同時存在由于熱運動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具有自由電子和空穴，其電子數量多于空穴。這種半導體也稱為N型半導體，這里N表示“Negative”（負的）。包含受主原子的材料中，空穴為多數載流子，因此稱為P型半導體，這里P表示“Positive”（正的）。

半導體上藝也可以制造出同時包含不向類型鄰近區域的結構（圖2.1）。將兩種類型區域結合起來的表面區域稱為PN結。當PN結形成時，多數載流子（N型區域的多子為電子，P型區域的多子為空穴）的隨機熱運動將使電了從N型區域流向P型區域。反之，空穴將從P型區域流向N型區域。因此，這種隨機熱運動（稱為擴散）會使P型半導體積累負電荷，而N型半導體積累正電荷。這種效應在PN

結的接觸面附近最為顯著：在P型區域，帶負電的受主原子由于空穴的引入不再呈現電中性，而（N型區域）自由載流子個再圍繞在帶正電荷的施主離子附近。因此，在PN結的附近，形成了固定離子的偶極子層（圖2.2）。偶極子層會產牛一個與多數載流子擴散方向相反的電場E，會使熱運動產牛的少數載流子（P型區域中的電子和N型區域中的空穴）從一個區域流向另一個區域。因此，在短暫的瞬態變化后，PN結中載流子狀態達到平衡。四種不同的載流子將在半導體中流動：多數載流子將從一個區域擴散至另一個區域，與電場E無關，少數載流子將在電場E的作用卜流動。因為電場E的效應會補償多數載流子的數量，所以，在平衡狀態下，這些電流將相互抵消。

如果在半導休上：焊接導線，并施加電壓，其平衡狀態將被打破（圖2.3）。首先，假設電壓源的極性是使P型區域的電壓高于N型區域的電壓，那么在圖2.3中就是V>0。然后外加電壓將降低電場E，從而減小了電場E的束縛，增加了多數載流子在邊界上的擴散電流。即使電場E只有少量減小，例如V＝0.8V，可以在電路中產生很大的多數載流子電流（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將增強電場E，阻止多數載流子在區域問流動。如果V足夠大，多數載流子電流幾乎消失，只有少數載流子仍在流動（電子從P型區域流向N型區域，空穴從相反入向移動）。由于少數載流子的數量非常小，而且幾乎與外加電壓V無關，從而PN結的凈電流將非常小，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中所規定的參考方向，此時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R≈1.38X10-23J/K；T表示半導體的溫度，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，甚至可能更低。從而可以得出，當V>O時，電流丁隨著電壓的升高而呈指數關系增大，而當V<0，電流I≈一Is，其值非常?。▓D2.4）。

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

由于電場E的存在，當外加電壓為0時，耗盡區仍然會呈現偏置電壓ψ：（通常稱為內建電壓）。當外加電壓不為0時，PN結上總的電壓降應為ψi-V,通常情況下，ψi=0.5～1V。

對于V

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

注意，電容C隨著電壓｜v｜的增大而不斷增大。

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