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《半導(dǎo)體器件特性的測(cè)量與分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、半導(dǎo)體器件特性的測(cè)量與分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（指導(dǎo)老師:官盛果時(shí)間：2009.10.30）1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素,如銅、鐵、鋁等金屬,其最外層電子受原子核的束縛力很小,因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。因此在外電場(chǎng)作用下,這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)(稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng))形成電流,呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特性。高價(jià)元素(如惰性氣體)和高分子物質(zhì)(如橡膠,塑料)最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng),極不易擺脫原子核的束縛成為自由電子,所以其導(dǎo)電性極差,可作為
2、絕緣材料。而半導(dǎo)體材料最外層電子既不像導(dǎo)體那樣極易擺脫原子核的束縛,成為自由電子,也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊,因此,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性介于二者之間。1.1.1本征半導(dǎo)體純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺,它們都是四價(jià)元素,在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子。為便于討論,采用圖1-1所示的簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型。把硅或鍺材料拉制成單晶體時(shí),相鄰兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子(價(jià)電子)成為共有電子,它們一方面圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng),另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上。即價(jià)電子不僅受到自身原
3、子核的作用,同時(shí)還受到相鄰原子核的吸引。于是,兩個(gè)相鄰的原子共有一對(duì)價(jià)電子,組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。故晶體中,每個(gè)原子都和周?chē)模磦€(gè)原子用共價(jià)鍵的形式互相緊密地聯(lián)系起來(lái),如圖1-2所示。圖1–1硅和鍺簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型共價(jià)鍵中的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)而獲得一定的能量,其中少數(shù)能夠擺脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子,同時(shí)必然在共價(jià)鍵中留下空位,稱(chēng)為空穴?？昭◣д?如圖1-3所示。由此可見(jiàn),半導(dǎo)體中存在著兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。本征半導(dǎo)體中,自由電子與空穴是同時(shí)成對(duì)產(chǎn)生的,因此,它們的濃度是相等的。我們用n和
4、p分別表示電子和空穴的濃度,即ni=pi,下標(biāo)i表示為本征半導(dǎo)體。價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)中獲得能量產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。同時(shí)自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中失去能量,與空穴相遇,使電子、空穴對(duì)消失,這種現(xiàn)象稱(chēng)為復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生過(guò)程和復(fù)合過(guò)程是相對(duì)平衡的,載流子的濃度是一定的。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度,除了與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還與溫度有關(guān),而且隨著溫度的升高,基本上按指數(shù)規(guī)律增加。因此,半導(dǎo)體載流子濃度對(duì)溫度十分敏感。對(duì)于硅材料,大約溫度每升高８℃,本征載流子濃度ni增加1倍；對(duì)于鍺材料,大約溫度每升高１
5、２℃,ni增加1倍。在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合在某一熱平衡載流子濃度值上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。用ni和pi分別表示一定溫度下本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的熱平衡濃度，有ni＝pi(1.1.1)理論和實(shí)驗(yàn)證明，它們與溫度T的關(guān)系可用下式表示：式中T為絕對(duì)溫度，k是玻爾茲曼常數(shù)(來(lái)說(shuō)，A=；對(duì)于鍺，A＝)。對(duì)硅。EgO表示T＝OK時(shí)的禁帶寬度，單位為eV(電子伏特)，硅的EgO＝1.1ev，鍺的EgO＝o.68eV?？梢钥闯觯杂呻娮雍涂昭ǖ臐舛入S溫度升高而增大，因而本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力相應(yīng)地隨溫度升高而增強(qiáng)。在常溫下，
6、硅半導(dǎo)體中載流子濃度ni＝Pi＝，鍺半導(dǎo)體中載流子。除此之外,半導(dǎo)體載流子濃度還與光照有關(guān),人們正是利用此特性,制成光敏器件。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1.Ｎ型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中,摻入微量５價(jià)元素,如磷、銻、砷等,則原來(lái)晶格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有５個(gè)價(jià)電子,因此它與周?chē)磦€(gè)硅(鍺)原子組成共價(jià)鍵時(shí),還多余1個(gè)價(jià)電子。它不受共價(jià)鍵的束縛,而只受自身原子核的束縛,因此,它只要得到較少的能量就能成為自由電子,并留下帶正電的雜質(zhì)離子,它不能參與導(dǎo)電,如圖１-４所示。顯然,這種雜質(zhì)半導(dǎo)
7、體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度,即n>>p(下標(biāo)ｎ表示是Ｎ型半導(dǎo)體),主要靠電子導(dǎo)電,所以稱(chēng)為Ｎ型半導(dǎo)體。由于５價(jià)雜質(zhì)原子可提供自由電子,故稱(chēng)為施主雜質(zhì)。Ｎ型半導(dǎo)體中,自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子；空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子。圖1-4N型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度。由于少數(shù)載流子是半導(dǎo)體材料共價(jià)鍵提供的,因而其濃度主要取決于溫度此時(shí)電子濃度與空穴濃度之間,可以證明有如下關(guān)系：nn?pn?n1p1?1?np1(1.1.3)即在一定溫度下,電子濃度與空穴濃度的乘積是一個(gè)常數(shù),
8、與摻雜濃22度無(wú)關(guān)。2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中,摻入微量３價(jià)元素,如硼、鎵、銦等,格中的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。1.2ＰＮ結(jié)1.2.1異型半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象則原來(lái)晶PN自建場(chǎng)(a)多(b)平衡時(shí)阻擋層形成圖1-6PN結(jié)的形成1.2.2ＰＮ結(jié)的單向?qū)щ娞匦?.ＰＮ結(jié)外加正向電壓若將電源的正極接Ｐ區(qū),負(fù)極接Ｎ區(qū),則稱(chēng)此為正向接法或正向偏置。此時(shí)外加電壓在阻擋層內(nèi)形成的電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相反,削弱
