半导体集成电路：软件工程专业导论

半导体,典型的材料是硅和锗,最外层电子有四个,称它为四价元素,每一个外层电子称为价电子。为了处于稳定状态,单晶硅和单晶锗中的每个原子的四个价电子都要和相邻原子的价电子配对,形成所谓的共价键。

但是共价键中的电子并不像绝缘体中的电子结合得那样紧,受到能量激发(如光照、温度变化),一些电子就能挣脱原有的束缚而成为自由电子。与此同时,某处共价键中失去一个电子,相应地就留下一个空位,称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现的,如图2-10(a)所示。

上述这种只有某一种半导体元素的材料,称为本征半导体。给本征半导体材料两端加上电压,会有两种数量相等的运载电荷的粒子(称为载流子)产生电流。一种是由自由电子向正极移动,形成的电子电流;另一种是空穴向负极移动形成的空穴电流。因此,在半导体中同时存在着电子导电和空穴导电,但由于这两种载流子数量很少,所以本征半导体的导电能力远不如金属中的自由电子。

为解决这个问题,本征半导体中可以掺入少量杂质,其导电性能将会大大地改善。例如,在纯净半导体硅中掺入原子外层有三个电子的硼元素。硼原子与相邻硅原子形成共价键时,因缺少一个电子而多一个空穴。每掺入一个硼原子就有一个空穴。这种半导体称为P 型半导体,如图2-10(b)所示。在P 型半导体中,空穴占多数,自由电子占少数,空穴是多数载流子。同理在纯净的半导体硅中掺入原子外层有五个电子的磷元素,就形成了N 型半导体。

图2-10 半导体的电子特征

如果把一块本征半导体的两边分别掺入P型和N 型材料,则在两部分的接触面就会形成一个特殊的薄层,称为PN 结,如图2-11(a)所示。

对PN 结加正向电压,即P区接正极,N 区接负极。由于外加电压的电场方向和PN 结内的电场方向相反,在外电场的作用下,内电场将会被削弱,使得阻挡层变窄,扩散运动因此增强。这样多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN 结,形成较大的扩散电流,称为正向电流,如图2-11(b)所示。

如果PN 结加反向电压,此时,由于外加电场的方向与内电场一致,增强了内电场,多数载流子扩散运动减弱,没有正向电流通过PN 结,只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。由于少数载流子为数很少,故反向电流是很微弱的,如图2-11(c)所示。(www.xing528.com)

图2-11 PN 结的导电特征

因此,PN 结正好呈现二极管一样的导电特征(图1-7)。同样,可以用PN 结构造出三极管等许多半导体器件。

进一步改造PN 结,直接做成冯·诺依曼计算机需要用的器件。事实上,计算机主要需要两类器件:一类是门电路,在信号的控制下,完成从逻辑输入到逻辑输出变换,如图2-12(a)所示,用作逻辑运算以及算术运算(参见第1章1.5和1.6节);另一类是存储器单元,能够对此单元进行读写操作,如图2-12(b)所示,用作存储器,即内存和外存。

图2-12 计算机的两个基本部件

半导体的出现,可以替代晶体管等分离器件。在一块半导体材料上构造出密集的逻辑电路,称为集成电路(IC,Integrated Circuit)。从此,电子工业从分离的晶体管时代进入了微电子的集成电路时代。