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半导体知识
半导体知识
第一部分微观世界的奥秘
1.1原子结构探密；
1.2硅原子结构；
1.3晶体与非晶体；
1.4硅晶体；
1.5单晶体与多晶体；
1.6单晶硅与多晶硅；
1.7、微观世界的量子特性；
1.8能带
1.1原子结构探密
微观世界究竟是什么样的呢？
原子又是由什么组成的，它的结构是什么样的？
直到1803年道尔顿提出原子模型：
原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球，从此揭开了研究微观世界的序幕。
1904年汤姆生提出原子的“葡萄干蛋糕模型”：
原子是一个平均分布着正电荷粒子的球体，其中镶嵌着许多电子，电子分布在球体中就像葡萄干点缀在一块蛋糕里，这些电子中和了正电荷，从而形成了中性原子。
1911年英国物理学家卢瑟福创造性地提出原子的“太阳系模型”：
在原子中心有一个带正电荷的粒子，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星环绕太阳运转一样。
1913年玻尔提出了“玻尔原子模型”：
电子在原子核外空间的一定的、不连续的、特定轨道上绕核做高速的圆周运动，离核越远能量越高。
当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量。
1926—1935年科学家们提出电子云模型：
电子在原子核外很小的空间内做高速运动，没有确定的轨迹。
密度大的地方表明电子出现的机会多。
现在，科学家们已能利用电子显微镜和扫描隧道显微镜拍摄表示原子图像的照片。
在原子结构中，原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子称为价电子，它们受原子核的影响最小，因而最活跃，它们对物质的导电性起着很重要的作用。
原子结构引领我们进入奇妙的微观世界，让我们遨游在这个充满神奇的海洋中，探索其中的奥妙。
1.2硅原子结构
通过前面的介绍，我们对原子的基本结构有了一定的了解，那么做为半导体主角的硅，其原子结构又是怎样的呢？
让我们一起来了解下吧。
硅原子位于元素周期表第IV主族，它的原子序数为Z=14，核外有14个电子。
电子在原子核外，按能级由低到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。
硅原子的核外电子第一层有2个电子，第二层有8个电子，达到稳定态。
最外层有4个电子即为价电子，它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。
正因为硅原子有如此结构，所以有其一些特殊的性质：
最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构，这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅具有较高的熔点和密度；化学性质比较稳定，常温下很难与其他物质（除氟化氢和碱液以外）发生反应。
硅晶体中没有明显的自由电子，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。
1.3晶体与非晶体
在阳光下，晶莹剔透的钻石为什么会发出闪烁的光辉？
冬天，漫天飘落的雪花是由什么构成的？
而从太空飞落到地球上的陨石又是由什么组成的？
留心观察一下周围的事物，你将会产生许多类似的问号。
那么，你知道吗？
这些问题的答案都和同一个名词有关！
那就是"晶体"。
什么是晶体呢？
虽然你还不知道它的定义，但是你早已经和它的家族成员见过面了。
不仅如此，你还吃过、用过它们呢！
你瞧，自然界里的冰、雪，各种金属材料（如金、银、铜），以至我们所吃的糖、盐和所用的各种装饰品（如宝石、钻石）等等，全都是晶体。
所以，毫不夸张地说，我们的世界是一个绚丽多彩的晶体的世界。
那么，到底什么是晶体呢？
当微观粒子如原子在三维空间按一定的规则进行排列，形成空间点阵结构时，就形成了晶体。
晶体具有规则的几何外形，并有固定的熔点。
与晶体相对应的是非晶体，非晶体中的原子呈无规则的均匀排列，没有一个方向比另一个方向特殊，如同液体中分子排列一样，形不成空间点阵，没有一定规则的形状。
例如松香、石蜡、玻璃、塑料等就是非晶体。
非晶体的物理性质在各个方向上是相同的，称为“各向同性”，且没有固定的熔点。
一位物理学家说过：
“晶体是晶体生长工作者送给物理学家最好的礼物。
”这是因为，当物质以晶体状态存在时，它将表现出其它物质状态所没有的优异物理性能，因而是人类研究固态物质结构和性能的重要基础。
半导体晶体目前是半导体工业最重要的基础材料。
1.4硅晶体
硅晶体结构特点是每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成正四面体结构。
这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，即为“共价键”。
这样，每个原子和周围四个原子组成四个共价键。
上述正四面体累积起来就得到金刚石结构。
全球制造的半导体95％以上、集成电路的99％都是用硅晶体材料制造的，我们生活的时代因此被称作“硅时代”。
利用硅晶体材料制成的各种半导体器件取代了原来的电子管，在电子工业中有着极其广泛的应用。
由于它们的出现，电子产品的体积大大减少，成本大幅度降低。
可以说，没有半导体硅晶体，就没有电子工业的飞速发展，我们今天就不可能拥有随身听、超薄电视和笔记本电脑等体积小巧、携带方便的电子产品了。
1.5单晶体与多晶体
大家知道，固体分为晶体和非晶体，而晶体又可以分为单晶体和多晶体。
生活中，我们所吃的食盐的主要成分氯化钠（NaCl）就是一种常见的单晶体，其颗粒一般都是小立方体。
此外，常见的雪花、天然水晶、单晶冰糖等都是单晶体；而飞落到地球上的陨石、石头、金属、陶瓷等则是多晶体，其主要成份是由长石等矿物晶体组成的，它的形状一般是不均匀的。
那么究竟什么是单晶体，什么又是多晶体呢？
单晶体是指在整个晶体内原子都按周期性的规则排列，而多晶体是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可以看成是由许多取向不同的小单晶体（又称为晶粒）组成的。
1.6单晶硅与多晶硅
单晶硅是硅的单晶体，超纯的单晶硅具有几乎完美的点阵结构，其纯度相当高，可以达到99.9999999％以上，是一种良好的半导体材料，是制作半导体器件和集成电路最主要的材料。
多晶硅是硅的多晶体。
在力学性能、电学性能等方面，多晶硅均不如单晶硅。
多晶硅是生产单晶硅的直接原料，其成本低廉，在电子工业中被广泛用于制造半导体器件以及太阳能电池等的基础材料。
1.7微观世界的量子特性
1900年德国科学家普朗克提出了量子理论，他认为光波、X射线和电磁波不能以任意波长辐射，而必须以某种称为量子的单位辐射，并假设波的频率越高，该量子的能量越大。
这种量子特性真正体现了微观世界的本性。
此后，丹麦物理学家玻尔首次将量子理论应用到原子中，并对原子光谱的不连续性作出了解释。
原子中电子的能量只能取一系列离散的数值，就如电子处在一个个不连续的“阶梯”上，只有这些“阶梯”上的电子才处于稳定态，电子可以在这些“阶梯”上跳上跳下。
当电子从一个较高的“阶梯”向一个较低“阶梯”跃迁时才发射光子能量，反之吸收光子能量。
微观世界的量子特性是电子能级和晶体能带的理论基础。
1.8能带
在原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。
每个壳层上的电子具有不同的能量值，也就是说电子按能级分布。
晶体中大量的原子集合在一起，原子之间距离很近，致使相邻原子最外壳层交叠很多，内壳层交叠较少，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，而可能转移到相邻原子的相似壳层上去，再从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，从而将可能在整个晶体中运动。
这种现象称为电子的共有化运动。
晶体中电子做共有化运动时其能量是怎样的呢？
假设晶体中有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级便在晶体中形成了N条靠得很近的能级，称为能带。
能带中电子按能量从高到低的顺序依次占据能级。
与最外层价电子能级对应的能带称为价带。
价带上方是未被电子占据的空能带。
价电子到达该空带后将能参与导电，因此又称为导带。
价带和导带之间不存在能级的能量范围叫做禁带，亦称作带隙。
带隙反映了固体原子中最外层束缚电子变为自由电子所需的能量，因此决定了固体的导电特性。
第二部分揭秘半导体
2.1何谓半导体
2.2半导体中的载流子
2.3半导体的秘密
2.4半导体的特性
2.5半导体家族
2.6半导体的主角
2.7P型半导体
2.8N型半导体
2.9奇妙的PN结
2.1何谓半导体
半导体究竟是什么呢？
半导体是人们将物质按电学性质进行分类时所赋予的一个名称。
我们通常把导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。
常见的半导体有硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等等。
让我们来做个实验（此实验仅以部分半导体来说明其特性），当把待测物质连接到电路中，并加上电压后，能让电灯泡较亮发光的物质为导体；不能让电灯泡发光的为绝缘体；能让电灯泡微亮发光的物质则为半导体。
为什么会有这样的现象呢？
这与半导体的能带以及特性有着很大的联系。
看完这一节的内容，你将知晓其中的奥妙。
2.2半导体中的载流子
半导体的性质为什么不同于导体或者绝缘体呢？
答案是它们拥有的载流子数量不同，它决定了半导体的导电性能。
具有无数载流子的物质就是导体，几乎没有载流子的物质则是绝缘体，而可以改变载流子数量的物质就是半导体。
那么什么是载流子呢，载流子就是电荷的运输者（载体），也就是能够移动的荷电粒子。
电子、空穴等都是载流子。
载流子的运动会产生电流。
在半导体中，存在两种载流子，即导带中的电子和价带中的空穴。
所谓空穴，就是价带中由于电子的移动而留下的空位。
在电场的作用下，电子移动填充空穴，相当于电子与空穴交换位置，电子和空穴不断地交换位置，从而产生电流。
半导体经过掺杂后，或者加热、光照产生的热激发、光激发都会使自由载流子数增加，从而使半导体的导电性大大增强。
2.3半导体的秘密
大家知道，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，这种现象究竟是由于什么原因引起的呢，您知道吗，秘密在于半导体能带的带隙。
能带中电子按能量从高到低的顺序依次占据能级。
与最外层价电子能级对应的能带称为价带。
价带上方是未被电子占据的空能带。
价电子到达该空带后将能参与导电，因此该空能带又称为导带。
价带和导带之间不存在能级的能量范围叫做禁带。
禁带的能量宽度便称作带隙。
由于带隙反映了固体原子中最外层被束缚电子变为自由电子所需的能量，因此带隙决定了固体的导电特性。
那么半导体的带隙和绝缘体、金属的带隙又有什么区别呢？
让我们一起了解一下。
由图可以看出，绝缘体的带隙宽，电子几乎不能从价带跃迁到导带，故表现出具有很高的电阻率，即几乎不导电；金属的带隙为零，价带电子全为自由电子．因此导电性能很强；而对于半导体而言，其带隙较窄，当温度升高，或者受光照，或者经过掺杂后，半导体价带中的电子很容易就能够从价带跃迁到导带，此时半导体的载流子数量大量增加，其导电性能也就大大增加了。
因此，半导体的带隙对半导体导电特性起决定性作用，决定了它有很多特殊的性质，而这些特性在半导体器件和集成电路制造中起着关键作用。
2.4半导体的特性
大家知道：
半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。
但半导体与导体、绝缘体的区别不仅在于导电能力的不同，更重要的是它具有独特的性质。
那么，半导体究竟有什么独特的性质呢？
我们称纯净的半导体为本征半导体，它的电阻率通常很高，但适当地掺入极微量的“杂质”元素后，其导电性能就显著地增加，这是半导体最显著、最突出的特性──“掺杂特性”，也是半导体具有非凡能力之源。
人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素，精确控制它的导电能力，用以制作各种各样的半导体器件。
半导体的导电能力还与温度有着密切的关系。
当环境温度升高时，半导体的导电能力就会显著地增加；当环境温度下降时，半导体的导电能力就会显著地下降。
这种特性称为半导体的“热敏性”。
热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。
此外，很多半导体对光十分敏感，当有光照射在这些半导体上时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏性”，光电二极管、光电三极管和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。
2.5半导体家族
半导体家族中的成员可多了，可谓是缤彩纷呈，让我们一起来认识下吧。
按照构成半导体物质的元素来分类，半导体可分为元素半导体（由一种元素构成）、化合物半导体（由多种元素构成）。
其中，元素半导体有Si和Ge等第IV主族元素半导体，化合物半导体中常用的有砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等半导体。
按照原子结构的排列规则分类，半导体可分为单晶半导体、多晶半导体以及非晶态（无定形）半导体。
按照掺杂类型分类，半导体可分为本征半导体、P型半导体、N型半导体。
纯净的半导体晶体称为本征半导体，例如，纯净的硅、锗晶体。
当在本征半导体中掺入少量第III主族原子或第Ⅴ主族原子，使之取代晶格中原子的位置，便形成P型半导体或N型半导体。
2.6半导体的主角
我们知道，半导体的种类很多，但作为半导体器件的材料却几乎都是硅，全球制造的所有半导体95％以上、集成电路的99％是用硅晶体材料制造的，硅已成为半导体的主角。
以硅为基础的半导体工业，创造了一个全新的信息时代。
如果说19世纪是铁的时代，那么现在就是硅的时代。
为什么硅能成为半导体的主角呢？
首先因为硅是构成地球上矿物界的主要元素。
它在地壳中的含量仅次于氧。
硅在自然界中有两种存在形式──二氧化硅和硅酸盐。
硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤，约占地壳总量的90%以上，是取之不尽的元素。
其次因为硅的提纯和结晶方便，容易拉制大直径的单晶硅棒，获得大尺寸的硅晶圆片，从而降低半导体器件和集成电路的制造成本。
还有一个很重要的原因是，硅氧化所形成的二氧化硅（SiO2）性能稳定，它在半导体器件和集成电路的制造过程中能够作为优良的绝缘膜使用，从而可以获得电学性能优良、可靠性高的器件。
2.7P型半导体
由于半导体的带隙窄，其导电特性很容易发生大的变化，这是半导体具有非凡能力之源。
但是如果不能控制其导电性，那么也是无用的。
而有效的控制方法就是向半导体掺入微量的“杂质”。
在纯净的本征半导体（如硅）中掺入受主杂质（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，便形成P型半导体。
“P”表示正电的意思。
在P型半导体中，参与导电的主要是带正电的空穴，这些空穴来自半导体中的“受主”杂质原子。
受主杂质原子的最外层有3个价电子，它与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个“空穴”。
在室温下这些空穴能吸引邻近硅原子的价电子来填充，使杂质原子成为负离子，同时在硅原子的共价键中产生一个“空穴”。
杂质原子中的空穴吸收电子，称受主原子。
P型半导体中，空穴为多数载流子，简称多子。
电子为少数载流子，简称少子。
2.8N型半导体
在纯净的本征半导体（如硅）中掺入施主杂质（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
“N”是负电的意思。
在N型半导体中，参与导电的主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的“施主”杂质。
由于施主杂质原子的最外层有5个价电子，它与周围的硅原子形成共价键时，多出一个电子。
在常温下，由于热激发，多出的电子很容易成为自由电子，使杂质原子成为正离子。
杂质原子可以提供电子，称施主原子。
在N型半导体中，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。
掺杂（P、N型）半导体具有以下特点：
1、导电性受掺杂浓度影响，掺入微量的杂质可以使半导体的导电能力大大增强。
掺杂浓度需精确控制。
2、多子的浓度取决于杂质浓度。
少子的浓度取决于温度，这是因为少子是本征激发形成的，与温度有关。
2.9奇妙的PN结
当我们将P型半导体和N型半导体单独使用时，它们并没有任何特别的地方，但是将P型半导体和N型半导体结合在一起时，奇秒的现象就发生了。
由于两种半导体交界面处载流子浓度的差异，半导体中的载流子开始做扩散运动，此时P型半导体区域的多子──空穴以及N型半导体区域的多子──电子均从高浓度区域向低浓度区域扩散。
扩散的结果是：
P型半导体区域一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N型半导体区域一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。
这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们在两种半导体的交界面处形成了一个很薄的空间电荷区（又称为耗尽层），这就是我们所说的PN结。
PN结具有内电场，方向由N区指向P区。
这个电场是由于载流子扩散运动形成的，故称为内电场。
PN结具有一个很重要的性质，即单向导电性：
当外加正向电压（P区一端接正电压）时PN结处于导通状态，如同开关闭合，结电阻很小；当外加反向电压（P区一端接负电压）时PN结处于截止状态，如同开关打开，结电阻很大。
当反向电压加大到一定程度，PN结会发生击穿而损坏。
利用PN结制成的二极管由于具有单向导电性，因此它的主要功能是整流。
除此之外，它还具有许多其它方面的功能，如作为开关用的开关二极管，利用二极管加反偏压时击穿形成的稳压二极管。
第三部分可控硅原理
可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。
当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。
此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。
因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。
此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。
这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。
由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。
由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1
状态
条件
说明
从关断到导通
1、阳极电位高于是阴极电位
2、控制极有足够的正向电压和电流
两者缺一不可
维持导通
1、阳极电位高于阴极电位
2、阳极电流大于维持电流
两者缺一不可
从导通到关断
1、阳极电位低于阴极电位
2、阳极电流小于维持电流
任一条件都可
表1可控硅导通和关断条件
第四部分太阳能电池发电原理
当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。
然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。
由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。
但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图梳状电极），以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。
为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5％甚至更小。
一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
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