半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性:導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(如銅、鐵等)與絕緣體(如石頭、木頭)之間,主要有:si(硅)ge(鍺)gaas(砷化鎵)。
絕緣體:,半導(dǎo)體:。 影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能: 溫度、純度。
1. 本征半導(dǎo)體
半導(dǎo)體材料高度提純后的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。
以硅(si)半導(dǎo)體為例:最外層有4個(gè)電子,受原子核的束縛力最小。硅材料高度提純后,其原子結(jié)構(gòu)排列的十分整齊。
本征半導(dǎo)體的電特性:硅單晶體的原子結(jié)構(gòu)排列的非常整齊;每個(gè)原子外層的四個(gè)電子與相鄰四周的原子外層電子形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu);絕對(duì)零度時(shí),價(jià)電子無(wú)法爭(zhēng)脫本身原子核束縛,此時(shí)本征半導(dǎo)體呈現(xiàn)絕緣體特性;在室溫下,本征半導(dǎo)體非常容易受熱激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對(duì);這時(shí)的載流子濃度稱本征濃度,。本征濃度隨溫度的上升而增大,所以本征載流子濃度是溫度的函數(shù)。
常溫下,本征硅中自由電子的濃度或空穴的濃度為硅原子濃度的3萬(wàn)億分之一。所以本征硅的導(dǎo)電能力是很弱的。自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn),稱為電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)的產(chǎn)生稱為本征激發(fā)(熱激發(fā))。
在本征硅中,自由電子作為攜帶負(fù)電荷的載流子參加導(dǎo)電??昭ㄒ部梢钥闯墒菙y帶正電荷的載流子(因二種載流子參加導(dǎo)電,所以,稱雙極型器件)。出現(xiàn)空穴后,共價(jià)鍵中的價(jià)電子就較易填補(bǔ)到這個(gè)空位上,過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行,相當(dāng)于空穴在晶體中移動(dòng)。
在本征激發(fā)的同時(shí),自由電子受原子核的吸引還可能重新回到共價(jià)鍵中,稱為復(fù)合。在一定溫度下,電子空穴對(duì)的熱激發(fā)與復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,電子空穴對(duì)維持一定的濃度。
2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體
為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力,摻入某些微量的有用元素作為雜質(zhì),稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。
(1) n型半導(dǎo)體:在本征半導(dǎo)體中摻入磷、砷等五價(jià)元素。由于摻入量極微,所以硅的原子結(jié)構(gòu)基本不變,只是某些硅原子被雜質(zhì)替代了。該原子除外層的四個(gè)電子與相鄰四個(gè)硅原子組成穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)外,仍多出一個(gè)電子,所以,摻雜后的電子數(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)由熱激發(fā)而產(chǎn)生的電子數(shù)。因此,摻雜后半導(dǎo)體中電子為多子,空穴為少子。稱電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。
n型半導(dǎo)體中的電子濃度為:其中:nd稱施主原子(為摻雜原子數(shù))。雜質(zhì)多余的自由電子非常容易失去,從而使雜質(zhì)原子變成帶正電的正離子。
(2) p型半導(dǎo)體:在本征半導(dǎo)體中摻入微量硼、鎵等三價(jià)元素。由于摻入量極微,所以硅的原子結(jié)構(gòu)基本不變,只是某些硅原子被雜質(zhì)替代了。該原子除外層的三個(gè)電子與相鄰四個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)外,還缺一個(gè)電子,留下一個(gè)空穴。所以,摻雜后的空穴數(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)由熱激發(fā)而產(chǎn)生的空穴數(shù)。因此,摻入三價(jià)元素后半導(dǎo)體中的空穴為多子,電子為少子。稱空穴型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體。
在p型半導(dǎo)體中的空穴濃度為:,其中:稱受主原子(為摻雜原子數(shù))。
雜質(zhì)留下的空穴,非常容易從其它地方的電子來(lái)補(bǔ)充,,從而使雜質(zhì)原子變成帶負(fù)電的負(fù)離子。
可以證明:在熱平衡的條件下,一種半導(dǎo)體中的二種載流子的乘積是一定的,與所摻雜質(zhì)無(wú)關(guān)。說(shuō)明在半導(dǎo)體中,摻入雜質(zhì)越多,少子越少。
n型半導(dǎo)體中的少子濃度:
p型半導(dǎo)體中的少子濃度:
3. 半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)
在半導(dǎo)體中,載流子有多種運(yùn)動(dòng)。但電子載流子與空穴載流子產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)形成的電流方向一致。
載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)—由濃度差引起。載流子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。
擴(kuò)散電流:
載流子的漂移運(yùn)動(dòng)—電場(chǎng)作用下載流子的定向運(yùn)動(dòng), 電子逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng),空穴順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)引起的電流稱漂移電流。
復(fù)合運(yùn)動(dòng)——載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,電子和空穴相遇而消失。
愛(ài)因斯坦方程:擴(kuò)散和漂移都滿足熱動(dòng)力現(xiàn)象,而擴(kuò)散常數(shù)d和遷移率m可用愛(ài)因斯坦方程表示:。
, 其中:k—波爾茲曼常數(shù)(焦?fàn)?k);t—絕對(duì)溫度(k);q—電子電荷量(庫(kù)侖)。