第1章 集成電路器件與模型

1.1 PN結(jié)與二極管

1.1.1 半導(dǎo)體與PN結(jié)

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體器件中最常用的是硅和鍺兩種材料，它們都是4價(jià)元素，在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有4個(gè)價(jià)電子。物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是由價(jià)電子決定的，導(dǎo)電性能也與價(jià)電子有關(guān)，其中純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中存在兩種載流子，即帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。晶體中的共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，在熱力學(xué)零度（-273.16℃）時(shí)，價(jià)電子沒有能力脫離共價(jià)鍵的束縛，晶體中沒有自由電子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。室溫下，少數(shù)價(jià)電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在原來的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴。

如果這時(shí)施加電場，電子將形成電子電流，空穴形成空穴電流。雖然兩種載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反，但因它們所帶的電荷極性也相反，所以兩種電流的實(shí)際方向是相同的，它們的和即是半導(dǎo)體中的電流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，但是摻入其他微量元素就會使其導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。這些微量元素的原子稱為雜質(zhì)，摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，有N型和P型兩類。

PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，指在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，那么在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了PN結(jié)。圖1.1為PN結(jié)示意圖。

圖1.1 PN結(jié)示意圖