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CCD圖像傳感器 CCD（Charge Coupled Device）全稱為電荷耦合器件，是70年代發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件。它是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，故在固體圖像傳感器、信息存貯和處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。CCD圖像傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展，能給出直觀、真實(shí)、多層次的內(nèi)容豐富的可視圖像信息，被廣泛應(yīng)用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測和自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室用的數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)多道分析器等儀器，都用了CCD作圖象探測元件。 一個(gè)完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)由光敏單元對光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少。取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。將輸出信號(hào)接到示波器、圖象顯示器或其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，就可對信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。由于CCD光敏元可做得很?。s10um），所以它的圖象分辨率很高。 一．CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存貯電荷原理 CCD的基本單元是MOS電容器，這種電容器能存貯電荷，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。以P型硅為例，在P型硅襯底上通過氧化在表面形成SiO2層，然后在SiO2 上淀積一層金屬為柵極，P型硅里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴，少數(shù)載流子是帶負(fù)電荷的電子，當(dāng)金屬電極上施加正電壓時(shí)，其電場能夠透過SiO2絕緣層對這些載流子進(jìn)行排斥或吸引。于是帶正電的空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處，剩下的帶負(fù)電的少數(shù)載流子在緊靠SiO2層形成負(fù)電荷層（耗盡層），電子一旦進(jìn)入由于電場作用就不能復(fù)出，故又稱為電子勢阱。 當(dāng)器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，這時(shí)出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的。光越強(qiáng)，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)，即使停止光照一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對光照的記憶。 金屬 氧化物 少數(shù)載流子耗盡區(qū) PSi （a） 電子靜電位能 表面勢 信號(hào)電荷 勢阱 （b） 圖1 CCD結(jié)構(gòu)和工作原理圖 (a)用作少數(shù)載流子貯存單元的MOS電容器剖面圖 (b)有信號(hào)電荷的勢阱，圖上用阱底的液體代表 總之，上述結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是個(gè)微小的MOS電容，用它構(gòu)成象素，既可“感光”又可留下“潛影”，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的電子電荷積累，潛影是各個(gè)象素留在各個(gè)電容里的電荷不等而形成的，若能設(shè)法把各個(gè)電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀并經(jīng)過“顯影”就實(shí)現(xiàn)了圖象的傳遞。 二．電荷的轉(zhuǎn)移與傳輸 CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器，它的表面由不透光的鋁層覆蓋，以實(shí)現(xiàn)光屏蔽。由上面討論可知，MOS電容器上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢阱愈深，當(dāng)外加電壓一定，勢阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小。利用這一特性，通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺。制造時(shí)將MOS電容緊密排列，使相鄰的MOS電容勢阱相互“溝通”。認(rèn)為相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠?。壳肮に嚳勺龅?.2μm），在信號(hào)電荷自感生電場的庫侖力推動(dòng)下，就可使信號(hào)電荷由淺處流向深處，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移。 為了保證信號(hào)電荷按確定路線轉(zhuǎn)移，通常MOS電容陣列柵極上所加電壓脈沖為嚴(yán)格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖。下面我們分別介紹三相和二相CCD結(jié)構(gòu)及工作原理。 1.三相CCD傳輸原理 簡單的三相CCD結(jié)構(gòu)如圖2所示。每一級也叫一個(gè)像元，有三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)電極的所有電極（如1、4、7……，2、5、8……，3、6、9……）都接在一起，由3個(gè)相位相差1200 的時(shí)鐘脈沖φ1、φ2、φ3來驅(qū)動(dòng)，故稱三相CCD，圖2（a）為斷面圖；圖（b）為俯視圖；圖（d）給出了三相時(shí)鐘之間的變化。在時(shí)刻t1,第一相時(shí)鐘φ1處于高電壓，φ2、φ3處于低壓。這時(shí)第一組電極1、4、7……下面形成深勢阱，在這些勢阱中可以貯存信號(hào)電荷形成“電荷包”，如圖（c）所示。在t2時(shí)刻φ1電壓線性減少，φ2為高電壓，在第一組電極下的勢阱變淺，而第二組（2、5、8……）電極下形成深勢阱，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移，直到t3時(shí)刻，φ2為高壓，φ1、φ3為低壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面。重復(fù)上述類似過程，信息電荷可從φ2轉(zhuǎn)移到φ3，然后從φ3轉(zhuǎn)移到φ1電極下的勢阱中，當(dāng)三相時(shí)鐘電壓循環(huán)一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，電荷包向右轉(zhuǎn)移一級（一個(gè)像元），依次類推，信號(hào)電荷一直由電極1、2、3……N向右移，直到輸出。 圖2 三相CCD傳輸原理圖 (a) (b) t1 t2 t3 (c) (d) t1 t2 t3 t4 2．二相CCD傳輸原理 CCD中的電荷定向轉(zhuǎn)移是靠勢阱的非對稱性實(shí)現(xiàn)的.在三相CCD 中是靠時(shí)鐘脈沖的時(shí)序控制,來形成非對稱勢阱.但采用不對稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進(jìn)不對稱勢勢阱,從而變成二相驅(qū)動(dòng)的CCD.目前實(shí)用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu).實(shí)現(xiàn)二相驅(qū)動(dòng)的方案有: 階梯氧化層電極 階梯氧化層電極結(jié)構(gòu)參見圖3。由圖可見,此結(jié)構(gòu)中將一個(gè)電極分成二部分,其左邊部分電極下的氧化層比右邊的厚,則在同一電壓下,左邊電極下的位阱淺,自動(dòng)起到了阻擋信號(hào)倒流的作用. 設(shè)置勢壘注入?yún)^(qū)(圖4) 對于給定的柵壓, 位阱深度是摻雜濃度的函數(shù).摻雜濃度高,則位阱淺.采用離子注入技術(shù)使轉(zhuǎn)移電極前沿下襯底濃度高于別處，則該處位阱就較淺,任何電荷包都將只向位阱的后沿方向移動(dòng)。 （a）結(jié)構(gòu)示意； (b)驅(qū)動(dòng)脈沖 圖3采用階梯氧化層電極形成的二相結(jié)構(gòu) 圖4采用勢壘注入?yún)^(qū)形成二相結(jié)構(gòu) 三．電荷讀出方法 CCD的信號(hào)電荷讀出方法有兩種:輸出二極管電流法和浮置柵MOS放大器電壓法. φ2 φ3 φ1 φ2 φ3 OG Uβ RL P Si (a) φ3 OG φR SiO2 浮置擴(kuò)散結(jié) P Si RD RD UR φR OD A OG lok RL OS OD UO MOS輸出管 （b） U0 I0 OS 圖5電荷讀出方法 （a）輸出二極管電流法 (b)浮置柵MOS放大器電壓法 (c)輸出級原理電路 SiO2 圖5(a)是在線列陣未端襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管,當(dāng)二極管加反向偏置時(shí),在PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生耗盡層。當(dāng)信號(hào)電荷通過輸出柵OG轉(zhuǎn)移到二極管耗盡區(qū)時(shí),將作為二極管的少數(shù)載流子而形成反向電流輸出。輸出電流的大小與信息電荷大小成正比,并通過負(fù)載電阻RL變?yōu)樾盘?hào)電壓U0輸出. 圖5(b)是一種浮置柵MOS放大器讀取信息電荷的方法.MOS放大器實(shí)際是一個(gè)源極跟隨器,其柵極由浮置擴(kuò)散結(jié)收集到的信號(hào)電荷控制,所以源極輸出隨信號(hào)電荷變化.為了接收下一個(gè)“電荷包”的到來,必須將浮置柵的電壓恢復(fù)到初始狀態(tài),故在MOS輸出管柵極上加一個(gè)MOS復(fù)位管。在復(fù)位管柵極上加復(fù)位脈沖φR,使復(fù)位管開啟,將信號(hào)電荷抽走,使浮置擴(kuò)散結(jié)復(fù)位. 圖5(c)為輸出級原理電路,由于采用硅柵工藝制作浮置柵輸出管,可使柵極等效電容C很小。如果電荷包的電荷為Q,A點(diǎn)等效電容為C,輸出電壓為U0，A點(diǎn)的電位變化△U=－,因而可以得到比較大的輸出信號(hào),起到放大器的作用,稱為浮置柵MOS放大器電壓法。 實(shí)驗(yàn)儀器簡介: 一、CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀 CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀外形如圖6所示。它的核心是一塊TCD 1206UD CCD芯片，配以外圍電路，以產(chǎn)生使 CCD正常工作所需的各路驅(qū)動(dòng)脈沖。儀器內(nèi)部已連接好，儀器面板的右部是各路脈沖的外接線柱，方便學(xué)生對這些脈沖進(jìn)行測試。面板上的積分時(shí)間設(shè)置有1—16檔，顯示窗顯示數(shù)字大于16的設(shè)置無效。頻率設(shè)置為0—3檔。為減少因誤操作而引起的CCD器件損壞，儀器左前方有一個(gè)CCD上電接鈕，打開實(shí)驗(yàn)儀開關(guān)時(shí)CCD上電按鈕是不亮的，此時(shí)CCD沒有接通電源，可以通過CCD實(shí)驗(yàn)儀上面的接線柱測量CCD的各路驅(qū)動(dòng)脈沖。按動(dòng)CCD上電按鈕使之變亮，則CCD電源接通，可觀測CCD的輸出信號(hào)。實(shí)驗(yàn)儀后部有一個(gè)DB9數(shù)據(jù)接口，可將CCD的輸出信號(hào)與同步脈沖與其它數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接。 圖6 CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀外形圖 圖7為TCD 1206UD的結(jié)構(gòu)示意圖，它為一雙通道二相驅(qū)動(dòng)的線陣CCD器件，共有2160個(gè)光敏元。奇數(shù)光敏元與其中一列移位寄存器相連，偶數(shù)光敏元與另一列移位寄存器相連。移位寄存器的像元數(shù)量與光敏光相同，相鄰像元中的一個(gè)與光敏元相連，并接脈沖，另一個(gè)不直接與光敏元連接，接脈沖，如圖4所示。 圖8為各路脈沖的波形圖。 SH信號(hào)加在轉(zhuǎn)移柵上。當(dāng)SH為高電平時(shí)，正值φ1為高電平。移位寄存器中的所有φ1電極下均形成深勢阱，同時(shí)SH的高電平使光敏元MOS電容存儲(chǔ)勢阱與φ1電極下的深勢阱溝通，光敏MOS電容中的信號(hào)電荷包迅速向上下兩列移位寄存器中與φ1連接的MOS電容轉(zhuǎn)移。SH為低電平時(shí)，光敏元與移位寄存器的連接中斷，此時(shí)光敏元在外界光照作用下產(chǎn)生與光照對應(yīng)的電荷，而移位寄存器中的信號(hào)電荷在φ1φ2時(shí)鐘脈沖作用下由右向左轉(zhuǎn)移，在輸出端將上下兩列信號(hào)按原光敏元采集的順序合為一列后，由輸出端輸出。 光敏元元 圖7 TCD1206UD結(jié)構(gòu)示意圖 （補(bǔ)償輸出） 電源 由于結(jié)構(gòu)上的安排，輸出電路首先輸出13個(gè)虛設(shè)單元的暗信號(hào)，再輸出51個(gè)暗信號(hào)，接著輸出2160個(gè)有效信號(hào)，之后再輸出10個(gè)暗電流信號(hào)，接下去輸出兩個(gè)奇偶檢測信號(hào)，然后可輸出多余的暗電流信號(hào)。由于該器件為雙列并行傳輸?shù)钠骷栽谝粋€(gè)SH周期中至少要有1117個(gè)φ1 脈沖，即TSH＞1117T1。 φ2脈沖與φ1脈沖互為反相，即φ1高電平時(shí)φ2為低電平，φ1為低電平時(shí)φ2為高電平。 φR為復(fù)位信號(hào)，對于雙通道器件而言，它的周期是φ1φ2的一半，即在一個(gè)φ1φ2脈沖周期內(nèi)有兩個(gè)φR脈沖，且φR的下降沿稍超前φ1φ2的變化前沿。 SP為像元同步脈沖，φC為行同步脈沖，用作CCD與其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備連接時(shí)作同步信號(hào)。U0為輸出信號(hào)。 圖8 各路脈沖波形圖 二、TDS210數(shù)字示波器的使用 1.數(shù)字示波器的面板圖如圖9（液晶顯示屏位于面板的左邊未畫） 2.數(shù)字示波器TDS210的特點(diǎn) （1） 操作簡單 對于一般周期性的波形，通過按“自動(dòng)設(shè)置”便可以看到波形?！白詣?dòng)設(shè)置”的作用在于合理地設(shè)置觸發(fā)電平（“釋抑電平”）、電壓衰減系數(shù)（“V/格”）和時(shí)基信號(hào)（“秒/格”）。 （2） 可以測量波形的多種參數(shù) 可以測量周期、頻率、電壓平均值、電壓峰-峰值、電壓均方根值、波形上升時(shí)間、波形下降時(shí)間、正頻寬和負(fù)頻寬。 （3） 具有自動(dòng)計(jì)算功能 作為數(shù)字式的儀表，它具有計(jì)算的功能，能夠?qū)⒔Y(jié)果顯示出來，對待測量不需要作進(jìn)一步的計(jì)算，比如測量頻率，只需要設(shè)置為測量頻率，然后從數(shù)字示波器的屏幕上讀出頻率的數(shù)字即可。 （4） 具有存儲(chǔ)功能 數(shù)字示波器通過將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后存儲(chǔ)在示波器的存儲(chǔ)單元中。數(shù)字示波器不斷地采集外部輸入的模擬信號(hào)，然后不斷地更新存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，按“運(yùn)行/停止”鍵可以“重新/暫?！睌?shù)據(jù)的采集。 通過單次觸發(fā)，可以采集外部的脈沖信號(hào)，比如開關(guān)的閉合所引起的電路脈沖。利用存儲(chǔ)在示波器中的數(shù)據(jù)，顯示的靜止圖象，有利于測量不太穩(wěn)定的信號(hào)。 存儲(chǔ)/調(diào)出 外 部 觸 發(fā) 觸發(fā)源 觀 察 測量 采集 輔助功能 光標(biāo) 顯示 圖9 數(shù)字示波器的面板圖 （5） 可以測量波形兩點(diǎn)間的電壓差和時(shí)間差 通過光標(biāo)功能可以測量波形的兩點(diǎn)間的電壓差，對于測量非周期信號(hào)很有用處；可以測量波的兩點(diǎn)之間的時(shí)間差，用于非對稱信號(hào)的測量和位相差的測量。 注：詳細(xì)介紹請參看實(shí)驗(yàn)書的“數(shù)字示波器” 3.操作提示 (1) 由于本實(shí)驗(yàn)室使用的信號(hào)輸入同軸電纜線沒有衰減，因此需要確認(rèn)示波器的衰減設(shè)置是否為1。按CH1鍵，在出現(xiàn)的菜單中將探頭設(shè)置為1x；同樣按CH2鍵，在出現(xiàn)的菜單中將探頭設(shè)置為1x。 （2）信號(hào)輸入同軸電纜線的黑表筆連接到CCD的接地端（GND）。特別是在兩路輸入（雙蹤使用）時(shí)，一定要將兩路信號(hào)輸入同軸電纜線的黑表筆接到同一位置（GND），這主要是因?yàn)槭静ㄆ鞯膬陕份斎氲暮诒砉P在示波器內(nèi)部是公共接地的，如不注意可能會(huì)導(dǎo)致短路而損壞CCD實(shí)驗(yàn)儀器。 （3）按MEASURE按鍵，設(shè)置待測物理量 此時(shí)在面板左邊出現(xiàn)五個(gè)菜單。按“測量內(nèi)容選擇”使之處于“信源”位置，然后通過“測量內(nèi)容1——測量內(nèi)容4”按鍵分別設(shè)置測量那路輸入（ch1或ch2）；按“測量內(nèi)容選擇”使之處于“類型”位置，然后可以通過“測量內(nèi)容1——測量內(nèi)容4”按鍵分別設(shè)置測量那些物理量，這些物理量包括周期、頻率、電壓平均值、電壓峰-峰值、電壓均方根值、波形上升時(shí)間、波形下降時(shí)間、正頻寬和負(fù)頻寬等，在CCD實(shí)驗(yàn)中一般設(shè)置為測量周期（或頻率）和電壓。然后按一下“自動(dòng)設(shè)置”，則相應(yīng)的測量數(shù)值便顯示在對應(yīng)的“測量內(nèi)容”位置。一次可以同時(shí)測量4個(gè)物理量。 （4）測量波型豎直方向的電壓差或水平方向波的時(shí)間差，可以使用光標(biāo)“CURSOR”鍵。按“CURSOR”，通過“測量內(nèi)容選擇”按鍵選擇測量電壓或時(shí)間（頻率），然后將“光標(biāo)1”和“光標(biāo)2”分別移動(dòng)到待測的兩位置，此時(shí)“測量內(nèi)容3”顯示“光標(biāo)1”的坐標(biāo)數(shù)值，“測量內(nèi)容4”顯示“光標(biāo)2”的坐標(biāo)數(shù)值，“測量內(nèi)容2”顯示兩坐標(biāo)的差值，豎直方向的差值為電壓，水平方向的差值為時(shí)間（系統(tǒng)將它認(rèn)為是周期，因而同時(shí)將它轉(zhuǎn)化為頻率）。 （5）如果測量時(shí)波形發(fā)生變化，以至于屏幕上顯示波形不夠一個(gè)周期時(shí)，則此時(shí)頻率和周期無法測量；如果在屏幕上不能顯示波形的上下峰位置，則電壓測量是錯(cuò)誤的。在這種情況下，如果頻率比較高，按一下“自動(dòng)設(shè)置”便可以。對于按一下“自動(dòng)設(shè)置”還是不出現(xiàn)周期波形的，只能根據(jù)波形的大致電壓和周期通過調(diào)節(jié)“伏/格”和“秒/格”使波形穩(wěn)定顯示。 （6）希望當(dāng)前的波形靜止下來觀察，請按“運(yùn)行/停止”鍵。 注意事項(xiàng): 1．CCD實(shí)驗(yàn)儀及示波器均屬易損貴重儀器，同學(xué)們一定要在搞清原理的基礎(chǔ)上使用。切忌亂扳亂動(dòng)，切忌粗暴操作，一旦發(fā)生意外事故或出現(xiàn)異常現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即切斷電源，并向指導(dǎo)老師報(bào)告，故障排除后才可繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。 2．作測量內(nèi)容1時(shí)，CCD左邊電源不要打開，CCD上電接鈕指示燈應(yīng)不亮。 3．關(guān)閉CCD實(shí)驗(yàn)儀電源后，要隔3分鐘才能再開機(jī)，否則工作狀態(tài)不正常。 4．CCD有一定的線性工作范圍，光照太強(qiáng)或積分時(shí)間過長，超過了CCD的正常工作范圍，CCD光敏元產(chǎn)生的信號(hào)電荷過多，會(huì)產(chǎn)生“溢出”，此時(shí)即使轉(zhuǎn)移柵沒打開，信號(hào)電荷也會(huì)向移位寄存器轉(zhuǎn)移，使輸出不正常，使用中應(yīng)避免這一情況。 附錄 半導(dǎo)體的基本知識(shí) 一、什么是半導(dǎo)體？ 在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，大家都知道，銀、銅、鋁、鐵等金屬材料是很容易導(dǎo)電的，叫做導(dǎo)體；而塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等卻很不容易導(dǎo)電，盡管加很高的電壓，仍然基本上沒有電流，通常稱為電的絕緣體。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能則介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 為什么會(huì)出現(xiàn)有的物質(zhì)容易導(dǎo)電，有的物質(zhì)不容易導(dǎo)電這種現(xiàn)象呢？根本原因在于事物內(nèi)部的特性，在于物質(zhì)內(nèi)部原子與原子結(jié)合的方式以及原子本身的結(jié)構(gòu)，看其內(nèi)部運(yùn)載電荷的粒子（叫做載流子）的多少和運(yùn)動(dòng)速度的快慢。 我們知道原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的，電子分幾層圍繞原子核作不停的運(yùn)動(dòng)。比較起來，金屬材料的外層電子受原子核的束縛力最小，因此有大量電子能夠掙脫原子核的束縛而成為自由電子。這些自由電子就成為運(yùn)載電荷的載流子，它們在外電場的作用下作定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。所以金屬的導(dǎo)電性能良好。 絕緣材料中，原子的外層電子受原子核的束縛力很大，很不容易掙脫出來，因此形成自由電子的機(jī)會(huì)非常小。絕緣材料原子結(jié)構(gòu)的這一特點(diǎn)決定了它的導(dǎo)電性能很差。 半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)比較特殊，其外層電子既不象導(dǎo)體那樣容易掙脫，也不象絕緣體那樣束縛很緊，這就決定了它的導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 二、半導(dǎo)體中的另一種載流子——空穴 在半導(dǎo)體中不僅有電子這樣的載流子，而且還有另一種載流子——空穴。那么什么叫空穴呢？ 首先讓我們來看半導(dǎo)體材料硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它們的特點(diǎn)是最外層的電子都是四個(gè)。通常，原子的外層電子叫做價(jià)電子，有幾個(gè)價(jià)電子就叫幾價(jià)元素，所以硅和鍺都是四價(jià)元素。 圖1 當(dāng)硅、鍺等半導(dǎo)體材料制成單晶體時(shí)，其原子排列就由雜亂無章的狀態(tài)變成了非常整齊的狀態(tài)。其中，原子之間的距離都是相等的，約為2.35104微米。每個(gè)原子最外層的四個(gè)電子，不僅受自身原子核的束縛，而且還與周圍相鄰的四個(gè)原子發(fā)生聯(lián)系。這時(shí)，每兩個(gè)相鄰的原子之間都共有一對電子。電子對中的任何一個(gè)電子，一方面圍繞自身原子核運(yùn)動(dòng)，另一方面也時(shí)常出現(xiàn)在相鄰的原子所屬的軌道上，這樣的組合叫做共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如圖2(a)中所示。 （a）硅單晶共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) (b)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子—空穴對 圖1 由原子理論和實(shí)踐可以知道，每個(gè)原子的外層有八個(gè)電子屬于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是硅、鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是它們的外層共有電子所受到的束縛力并不象在絕緣體里那樣緊，在一定的溫度下，由于熱運(yùn)動(dòng)，其中少數(shù)電子還是可能掙脫束縛而成為自由電子，形成為電子載流子。 值得注意的是，共有電子在掙脫束縛成為自由電子后，同時(shí)留下了一個(gè)空位，見圖2（b）。有了這樣一個(gè)空位，附近的共有電子就很容易來進(jìn)行填補(bǔ)，從而形成共有電子的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)，無論是效果上還是現(xiàn)象上，都好象一個(gè)帶正電荷的空位子在移動(dòng)。為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)動(dòng)，就把這種運(yùn)動(dòng)叫做“空穴”運(yùn)動(dòng)，空位子叫做“空穴”。打個(gè)通俗的比方，好比大家坐在一起看節(jié)目，如果前面走了人出現(xiàn)一個(gè)空位，后面的人遞補(bǔ)空位向前坐，看起來就好象是空位子在向后運(yùn)動(dòng)一樣。顯然，這種空位的移動(dòng)同沒有座位的人到處走動(dòng)不一樣，后者好比是自由電子的運(yùn)動(dòng)，而有座位的人依次遞補(bǔ)空位的走動(dòng)則好比是空穴運(yùn)動(dòng)。 由此可見，空穴也是一種載流子。當(dāng)半導(dǎo)體處于外加電壓作用之下，通過它的電流可以看作是由兩部分組成：一部分是自由電子進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)所形成的電子電流，另一部分是共有電子遞補(bǔ)空穴所形成的空穴電流。它們的區(qū)別是，電子電流是帶負(fù)電的電子的定向運(yùn)動(dòng)，而空穴（由于它的運(yùn)動(dòng)方向和電子相反）電流是帶正電的空穴的定向運(yùn)動(dòng)。所以，在半導(dǎo)體中，不僅有電子載流子，而且還有空穴載流子，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電的一個(gè)重要特性。 由于物質(zhì)總是在不停地運(yùn)動(dòng)著，這就使得半導(dǎo)體里因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)而不斷產(chǎn)生自由電子，同時(shí)則出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的空穴。因此，電子和空穴總是相伴而生、成對出現(xiàn)的，我們稱之為電子-空穴對。另一方面，自由電子在運(yùn)動(dòng)中又會(huì)與空穴重新結(jié)合而消失，這是一種相反的過程，我們叫做復(fù)合。電子-空穴對又產(chǎn)生，又復(fù)合，這就是半導(dǎo)體里不斷進(jìn)行著的一對矛盾。在一定溫度條件下，這對矛盾可以實(shí)現(xiàn)相對的平衡，這時(shí)，產(chǎn)生和復(fù)合的過程雖然仍在繼續(xù)不斷地進(jìn)行，但電子-空穴對卻始終維持一定的數(shù)目。 三、P型和N型半導(dǎo)體 上面分析的是純單晶半導(dǎo)體，在這種半導(dǎo)體里，雖然多了一種空穴載流子，但是，載流子的總數(shù)離開實(shí)際應(yīng)用的要求，也就是從具有良好導(dǎo)電能力的要求來看，還相差很遠(yuǎn)，所以其本身用處不大。半導(dǎo)體技術(shù)之所以能夠這樣迅速地發(fā)展，主要是由于人們能夠精確地控制半導(dǎo)體的電學(xué)特性，而所用的方法就是在純單晶半導(dǎo)體中摻入有用的雜質(zhì)，使其導(dǎo)電特性得到很大的改善，因而獲得了重要的用途。例如，硅單晶中摻入少量的硼，就使半導(dǎo)體中空穴載流子的數(shù)目劇增，導(dǎo)電特性大為加強(qiáng)。這是什么道理呢？ 讓我們來觀察圖3（a），它是摻入的硼原子與硅原子組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的示意圖。由于硼原子數(shù)目比硅原子要少得多，因此整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)基本不變，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替了。我們知道，硼是三價(jià)元素，即外層只有三個(gè)電子，所以當(dāng)它與硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，就自然形成了一個(gè)空穴。這樣，摻入的硼雜質(zhì)的每一個(gè)原子都可能提供一個(gè)空穴，從而使硅單晶中空穴載流子的數(shù)目大大增加。這種半導(dǎo)體內(nèi)幾乎沒有自由電子，主要靠空穴導(dǎo)電，所以叫做空穴半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。 如果硅單晶中摻入的是磷、銻等五價(jià)元素，那么情況就又不一樣了。硅原子和磷原子組成共價(jià)鍵之后，磷外層的五個(gè)電子中，四個(gè)電子組成共價(jià)鍵，多出的一個(gè)電子受原子核束縛很小，因此很容易成為自由電子。所以，這種半導(dǎo)體，電子載流子的數(shù)目很多，主要靠電子導(dǎo)電，叫做電子半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體，如圖3（b）所示。 (a)硅中摻硼形成空穴（P型） (b) 硅中摻磷形成電子（N）型 圖3 實(shí)際上，半導(dǎo)體中經(jīng)常是既有P型雜質(zhì)，又有N型雜質(zhì)，那種雜質(zhì)的濃度大，就由那種雜質(zhì)決定其導(dǎo)電類型。比如，在硅中先摻入磷，成為N型硅，然后再摻入硼，那么當(dāng)硼的濃度大大超過磷時(shí)，N型硅就轉(zhuǎn)化成了P型硅，使原子的自由電子絕大部分與空穴復(fù)合，剩下的自由電子數(shù)目就變得很少了。 總結(jié)這一節(jié)可以得出結(jié)論：決定半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的，不僅有電子導(dǎo)電，而且還有空穴導(dǎo)電。在純單晶中，摻入有用的雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性大增強(qiáng)，由此獲得所需要的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，作為各種半導(dǎo)體器件的基本組成部分。