半導體簡介

半導體

　　P端接電源的正極，N端接電源的負極稱之為PN結(jié)正偏。此時PN結(jié)如同一個開關(guān)合上，呈現(xiàn)很小的電阻，稱之為導通狀態(tài)。
　　P端接電源的負極，N端接電源的正極稱之為PN結(jié)反偏，此時PN結(jié)處于截止狀態(tài)，如同開關(guān)打開。結(jié)電阻很大，當反向電壓加大到一定程度，PN結(jié)會發(fā)生擊穿而損壞。　　伏安特性曲線：加在PN結(jié)兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示：
　　正向特性：u>0的部分稱為正向特性。
　　反向特性：u<0的部分稱為反向特性。
　　反向擊穿：當反向電壓超過一定數(shù)值U（BR）后，反向電流急劇增加，稱之反向擊穿。
　　勢壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容Cb。
　　變?nèi)荻O管：當PN結(jié)加反向電壓時，Cb明顯隨u的變化而變化，而制成各種變?nèi)荻O管。如下圖所示。
　　平衡少子：PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時的少子稱為平衡少子。
　　非平衡少子：PN結(jié)處于正向偏置時，從P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴和從N區(qū)擴散到P區(qū)的自由電子均稱為非平衡少子。
　　擴散電容：擴散區(qū)內(nèi)電荷的積累和釋放過程與電容器充、放電過程相同，這種電容效應(yīng)稱為Cd。
　　結(jié)電容：勢壘電容與擴散電容之和為PN結(jié)的結(jié)電容Cj。　　半導體中的雜質(zhì)對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質(zhì)時，雜質(zhì)原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產(chǎn)加的雜質(zhì)能級。例如四價元素鍺或硅晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質(zhì)原子時，雜質(zhì)原子作為晶格的一分子，其五個價電子中有四個與周圍的鍺（或硅）原子形成共價結(jié)合，多余的一個電子被束縛于雜質(zhì)原子附近，產(chǎn)生類氫能級。雜質(zhì)能級位于禁帶上方靠近導帶底附近。雜質(zhì)能級上的電子很易激發(fā)到導帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質(zhì)稱為施主，相應(yīng)能級稱為施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發(fā)到導帶所需能量小得多（圖2）。在鍺或硅晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質(zhì)原子時，雜質(zhì)原子與周圍四個鍺（或硅）原子形成共價結(jié)合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應(yīng)的能量狀態(tài)就是雜質(zhì)能級，通常位于禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發(fā)到雜質(zhì)能級上填補這個空位，使雜質(zhì)原子成為負離子。價帶中由于缺少一個電子而形成一個空穴載流子（圖3）。這種能提供空穴的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。存在受主雜質(zhì)時，在價帶中形成一個空穴載流子所需能量比本征半導體情形要小得多。半導體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產(chǎn)生的熱激發(fā)或光激發(fā)都會使自由載流子數(shù)增加而導致電阻率減小，半導體熱敏電阻和光敏電阻就是根據(jù)此原理制成的。對摻入施主雜質(zhì)的半導體，導電載流子主要是導帶中的電子，屬電子型導電，稱N型半導體。摻入受主雜質(zhì)的半導體屬空穴型導電，稱P型半導體。半導體在任何溫度下都能產(chǎn)生電子-空穴對，故N型半導體中可存在少量導電空穴，P型半導體中可存在少量導電電子，它們均稱為少數(shù)載流子。在半導體器件的各種效應(yīng)中，少數(shù)載流子常扮演重要角色。
　　PN結(jié)
　　P型半導體與N型半導體相互接觸時，其交界區(qū)域稱為PN結(jié)。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子要向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，造成正負電荷在PN 結(jié)兩側(cè)的積累，形成電偶極層(圖4)。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由于載流子數(shù)密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時，P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢差，稱為接觸電勢差。由于P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴散后與N區(qū)中的電子復合，而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴散后與P區(qū)中的空穴復合，這使電偶極層中自由載流子數(shù)減少而形成高阻層，故電偶極層也叫阻擋層，阻擋層的電阻值往往是組成PN結(jié)的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。
　　PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕雽w整流管就是利用PN結(jié)的這一特性制成的。PN結(jié)的另一重要性質(zhì)是受到光照后能產(chǎn)生電動勢，稱光生伏打效應(yīng)，可利用來制造光電池。半導體三極管、可控硅、PN結(jié)光敏器件和發(fā)光二極管等半導體器件均利用了PN結(jié)的特性。　　半導體的發(fā)現(xiàn)實際上可以追溯到很久以前，
　　1833年，英國巴拉迪zui先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。
　　不久，1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征。
　　在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關(guān)，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應(yīng)，也是半導體所*的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。
　　1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應(yīng)，這是半導體又一個*的性質(zhì)。半導體的這四個效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績──四個伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯使用。而總結(jié)出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。
　　很多人會疑問，為什么半導體被認可需要這么多年呢？主要原因是當時的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關(guān)的問題就難以說清楚。
　　半導體于室溫時電導率約在10ˉ10～10000/Ω·cm之間，純凈的半導體溫度升高時電導率按指數(shù)上升。半導體材料有很多種，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。。除上述晶態(tài)半導體外，還有非晶態(tài)的有機物半導體等和本征半導體。　　zui早的實用“半導體”是「電晶體（Transistor）/二極體（Diode）」。 一、在無電收音機（Radio）及 電視機（evision）中，作為“訊號放大器 /整流器”用。 二、近來發(fā)展「太陽能（Solar Power）」，也用在「光電池（Solar Cell）」中。　　Semiconductor
　　A semiconductor is a materialwith an electrical conductivity that is intermediate between thatof an insulatora conductor. A semiconductor behaves as aninsulator at very low temperature,has an appreciableelectrical conductivity at room temperature although much lowerconductivity than a conductor. Commonly used semiconductingmaterials are silicon, germanium,gallium arsenide.