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半导体基础知识

2018-4-22 08:08| 发布者: dymodel| 查看: 124| 评论: 0|原作者: ship

摘要:   1.什么是导体、绝缘体、半导体?  容易导电的物质叫导体,如:金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。   不容易导电的物质叫做绝缘体,如:橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油 ...
  1.什么是导体、绝缘体、半导体?
  容易导电的物质叫导体,如:金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。
  不容易导电的物质叫做绝缘体,如:橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。
  所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如:硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半导体大体上可以分为两类,即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体,这里的纯净包括两个意思,一是指半导体材料中只含有一种元素的原子;二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导电能力极弱,且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素(称杂质)所形成的半导体。杂质半导体有两类:N型半导体和P型半导体。
  2.半导体材料的特征有哪些?
  (1) 导电能力介于导体和绝缘体之间。
  (2) 当其纯度较高时,电导率的温度系数为正值,随温度升高电导率增大;金属导体则相反,电导率的温度系数为负值。
  (3) 有两种载流子参加导电,具有两种导电类型:一种是电子,另一种是空穴。同一种半导体材料,既可形成以电子为主的导电,也可以形成以空穴为主的导电。
  (4) 晶体的各向异性。
  3.简述N型半导体。
  常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。当半导体中掺有施主杂质时,主要靠施主提供电子导电,这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。
  例如:硅中掺有Ⅴ族元素杂质磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)时,称为N型半导体。
  4.简述P型半导体。
  当半导体中掺有受主杂质时,主要靠受主提供空穴导电,这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。
  例如:硅中掺有Ⅲ族元素杂质硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)时,称为P型半导体。
  5.什么是半绝缘半导体材料?
  定义电阻率大于107Ω*cm的半导体材料称为半绝缘半导体材料。
  如:掺Cr的砷化镓,非掺杂的砷化镓为半绝缘砷化镓材料。
  掺Fe的磷化铟,非掺杂的磷化铟经退火为半绝缘磷化铟材料。
  6.什么是单晶、多晶?
  单晶是原子或离子沿着三个不同的方向按一定的周期有规则地排列,并沿一致的晶体学取向所堆垛起来的远程有序的晶体。
  多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体,在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同,其周期性与规则性也在此处受到破坏。
  7.常用半导体材料的晶体生长方向有几种?
  我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的,因此单晶表现出各向异性。单晶生长的这种方向直接来自晶格结构,常用半导体材料的晶体生长方向是和。
  规定用和表示晶向,用(111)和(100)表示晶面。
  8.什么是电导率和电阻率?
  所有材料的电导率(σ)可用下式表达:
  σ=neμ
  其中n为载流子浓度,单位为cm-3;e为电子的电荷,单位为C(库仑);μ为载流子的迁移率,单位为cm2/V*s;电导率单位为S/cm(S为西门子)。
  电阻率ρ=1/σ,单位为Ω*cm
  9.PN结是如何形成的?它具有什么特性?
  如果用工艺的方法,把一边是N型半导体另一边是P型半导体结合在一起,这时N型半导体中的多数载流子电子就要向P型半导体一边渗透扩散。结果是N型区域中邻近P型区一边的薄层A中有一部分电子扩散到P型区域中去了,如图2-6所示(图略)。薄层A中因失去了这一部分电子 而带有正电。同样,P型区域中邻近N型区域一边的薄层B中有一部分空穴扩散到N型区域一边去了,如图2-7所示(图略)。结果使薄层B带有负电。这样就在N型和P型两种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层A和B(其中A带正电,B带负电)。A、B间便产生了一个电场,这个带电的薄层A和B,叫做PN结,又叫做阻挡层。
  当P型区域接到电池的正极,N型区域接到电池的负极时,漂移和扩散的动态平衡被破坏,在PN结中流过的电流很大(这种接法称为正向连接)。这时,电池在PN结中所产生的电场的方向恰好与PN结原来存在的电场方向相反,而且外加电场比PN结电场强,这两个电场叠加后电场是由P型区域指向N型区域的。因此,PN结中原先存在的电场被削弱了,阻挡层的厚度减小了,所以正向电流将随着外加正向电压的增加而迅速地上升。
  当P型区域接到电池的负极,N型区域接到电池的正极时,在PN结中流过的电流很小(这种接法称为反向连接)。这是由于外加电压在PN结中所产生的电场方向是由N型区指向P型区,也即与原先在PN结中存在的电场方向是一致的。这两个电场叠加的结果,加强了电场阻止多数载流子的扩散运动,此时,阻挡层的厚度比原来增大,原来漂移和扩散的动态平衡也被破坏了,漂移电流大于扩散电流,正是这个电流造成反向漏电流。PN结的这种性质叫做单向导电性。
  10.何谓PN结的击穿特性?
  对PN结施加的反向偏压增大到某一数值时,反向电流突然开始迅速增大,这种现象称为PN结击穿。发生击穿时的反向偏压称为击穿电压,以VB表示。击穿现象中,电流增大基本原因不是由于迁移率的增大,而是由于载流子数目的增加。到目前为止,基本上有三种击穿机构:热电击穿、雪崩击穿和隧道击穿。从击穿的后果来看,可以分为物理上可恢复的和不可恢复的击穿两类。热电击穿属于后一类情况,它将造成PN结的永久性损坏,在器件应用时应尽量避免发生此类击穿。雪崩击穿和隧道击穿属于可恢复性的,即撤掉电压后,在PN结内没有物理损伤。

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