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带你了解半导体结构

发表时间:2020/3/26 15:15:49 | 浏览次数:


一、导体
1、导体原子结构
铜是良导体,其原子结构如图1所示,第一层有两个电子,第二层有八个电子,第三层有18个电子,最外层只有一个电子。

 


图1:铜原子结构图
2、价带与核心
原子最外层的电子轨道称为价格带轨道,他决定原子的电特性,简化铜原子内部,参照图2,称为核心。
图2:通原子的核心

 


3、自由电子
原子核与价电子之间的吸引力很小,外力很容易从铜原子中获得电子,这就是价电子常被称为自由电子的原因,也是铜是良导体的原因最好的导体是铜、银、金,他们都可以用图2的核心图表示。

 


二、半导体
最好的导体有一个价电子,最好的绝缘体有八个价电子,半导体介于导体和半导体之间,最好的半导体有四个价电子。

 


1、锗半导体
早期的半导体器件使用了唯一的材料,但锗半导体有致命的缺陷,反向电流过大,硅半导体的实用化不断发展,大部分器件开始用硅制造!锗应用的很少了。

 


2、硅半导体
硅是地球上除氧以外最丰富的元素,硅的早期净化技术制约了硅的应用,在净化技术突破之后,硅成为半导体的主要材料。

 


三、硅晶体
硅原子结合成固体时,他们排列具有规律性,称为硅晶体。
1、共价键
2、价带饱和
硅原子的价带轨道上有8个电子,8个电子的稳定结构使得硅形成了一个稳定的固体。没有人知道原子的外轨道为什么趋向于8个电子。如果一个元素的外层没有8个电子,那么这个元素必然与其他元素共享电子,达到8个电子。

 


3、空穴
在一定的温度下,硅晶体在形成自由电子的同时形成空穴,即空穴和电子对。

 


4、复合与寿命
在纯硅中,电子和空穴结合,引起电子和空穴的消失,称为复合,在一定条件下,产生的电子和空穴的复合速度保持平衡,即电子和空穴的浓度保持在稳定水平。

 


四、本征半导体
固有半导体是纯半导体,如果晶体中的每一个原子都是硅原子,它就称为硅固有半导体。

 


1、自由电子的流动
假设本征半导体中只有一个空穴和一个电子,图7中的电子从右向左移动,形成电子的流动,同时带有正电极的吸引和负电极场的抑制。

 


图7:电子和空穴的移动
2、空穴的流动
空穴与a重新结合,a点形成新的空穴,a空穴捕捉新的电子,形成新的空穴,空穴按ABCDEF的顺序移动,好像正电荷在移动。

 


五、两种电流
在本证明半导体中,在施加电压下,形成了2种相同大小、相反方向的电流,如图8所示。注意:在半导体之外,即导体中没有空穴流动。

 


六、半导体掺杂
提高半导体电导能力的方法是掺杂以增加电子或空穴的浓度。

 


1、增加电子(N型半导体)
熔化硅,破坏共价键,加入砷、锑、磷等5价电子,形成更多的电子。

 


2、增加空穴(P型半导体)
熔化硅,破坏共价键,加入3个价电子,如铝,硼,钾,形成更多的孔,如图10所示。

 


七、无偏置二极管
1、无偏置PN结

 


2、耗尽层
n区的电子在本区的电子排斥下、p区的空穴吸引下,越过PN结与p区的空穴结合形成偶极子,随着再结合的进行,PN结附近的载流子呈衰弱状态形成耗尽层。

 


3、势垒电压
随着扩散的进行,偶极子增加,每个偶极子都有一个电压,阻止电子进一步扩散,形成一个称为屏障电压的电压。锗二极管约为0.3V,硅二极管约为0.7V。

 


八、PN结正向偏置
1、PN结正向偏置
如图13中给PN结加上电压,称作正向偏置。
图13:PN结正向偏置

 


2、PN电流
在正向偏压电路中,电子被排除在右侧,吸引在左侧,当电压小于势垒电压时,电子不能通过耗尽层,不能形成电流。当增加的电压超过势垒电压时,N区域电子将损耗层与P区域的孔结合起来形成电流,孔从左向右移动形成孔电流。

 


九、PN结反向偏置
1、反向偏置
给PN结加上如图14的电压后称为PN结反向偏置。

 


2、耗尽层变宽
在反向偏压后,n区电子被电池的正电极吸引,p区电子被排除在n区在电场作用下达到新的平衡,耗尽层变宽,如图15所示。

 


3、少子电流
在耗尽层稳定后,还会有电流存在吗?其答案是,由于分子热运动的原因,在PN结附近激发了少量的电子和空穴,耗尽层中的少子部分通过PN结,产生了小电流,即PN反向偏压时反向继续的小电流。

 


4、表面漏电流
除少年形成的逆电流外,二极管表面存在小电流,这种情况下由结构缺陷和杂质引起。

 


二极管的反向电流和表面泄漏电流合称为二极管反向电流。

 

十一、击穿
因为少数的存在,当电压增加时,少数的动能会增加,在运动过程中会与原子碰撞,当电子的动能足够大时,会碰撞更多的电子,这些电子动能会继续增加,撞击更多的电子,形成雪崩。


 

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