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IC半导体的基础知识(三)

杂质半导体 在本征半导体中，如果掺入微量的杂质(某些特殊元素)，将使掺杂后的半导体(杂质半导体)的导电能力显著改变。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为电子型半导体(N型)和空穴型半导体(P型)两大类。

1.N型半导体

若在纯净的硅晶体中掺入微量的五价元素(如磷)，这样，硅原子占有的某些位置会被掺入的微量元素(如磷)原子所取代。而整个晶体结构基本不变。磷原子与硅原子组成共价键结构只需四个价电子，而磷原子的外层有五个价电子，多余的那个价电子不受共价键束缚，只需获得很少的能量就能成为自由电子。由此可见，掺入一个五价元素的原子，就能提供一个自由电子。必须注意的是，产生自由电子的同时并没有产生空穴，但由于热运动原有的晶体仍会产生少量的电子空穴对。所以，只要在本征半导体中掺入微量的五价元素，就可以得到大量的自由电子，且自由电子数目远比掺杂前的电子空穴对数目要多得多。

这种以自由电子导电为主要导电方式的杂质半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。N型半导体中存在着大量的自由电子，这就提高了电子与空穴的复合机会，相同温度下空穴的数目比掺杂前要少。所以，在N型半导体中，电子是多数载流子(简称多子)，空穴是少数载流子(简称少子)。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质浓度越高，自由电子数目越大，导电能力也就越强。

在N型半导体中，一个杂质原子提供一个自由电子，当杂质原子失去一个电子后，电视数字芯片，就变为固定在晶格中不能移动的正离子，但它不是载流子。因此，N型半导体就可用正离子和与之数量相等的自由电子去表示。

数字系统实时验证

在利用MP3C硬件平台的基础上搭建验证平台来实现对数字系统的验证，根据该系统的特点，完成了软硬件验证平台的构建和软件的配置。该验证系统主要是由APTIX MP3C系统、Spartan-IIE FPGA和相应的EDA软件等组成。 主要对验证的整体方案以及系统各个模块的功能和实现进行了深入的分析。介绍了IC设计的流程和IC验证的重要性;并对MP3C的FPCB和FPIC等模块以及Spartan-IIE开发板的FPGA、I/O和接口等模块的性能和使用方法进行了详细说明。

然后提出了以MP3C为核心的快速数字系统验证的硬件平台实现方法，其中激励产生和数据采集观察是通过在一块评估板中来实现;在EXPLORER软件中完成整个系统的搭建、FPGA的布局布线和FPCB的编译。并且根据这一方法实现了对复杂数字系统FFT进行验证，后得出了正确的结果，证明这一方法是切实有效的。此方法能缩短IC开发周期，提高IC验证的效率，对将来IC发展来说很具有实际意义。

P型半导体

在纯净的硅(或锗)晶体内掺入微量的三价元素硼(或铟)，因硼原子的外层有三个价电子，当它与周围的硅原子组成共价键结构时，会因缺少一个电子而在晶体中产生一个空穴，掺入多少三价元素的杂质原子，就会产生多少空穴。因此，数字芯片的电源特点，这种半导体将以空穴导电为其主要导体方式，称为空穴型半导体，罗湖区数字芯片，简称P型半导体。必须注意的是，产生空穴的同时并没有产生新的自由电子，但原有的晶体仍会产生少量的电子空穴对。

从以上分析可知，数字芯片作用是什么意思，不论是N型半导体还是P型半导体，它们的导电能力是由多子的浓度决定的。可以认为，多子的浓度约等于掺杂原子的浓度，它受温度的影响很小。在一块硅片上采用不同的掺杂工艺，一边形成N型半导体，一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界面附近形成PN结；PN结是构成各种半导体器件的基础。

1.PN结的形成

在一块硅或锗的晶片上，采取不同的掺杂工艺，分别形成N型半导体区和P型半导体区。由于N区的多数载流子为电子(即电子浓度高)，少子为空穴(空穴浓度低)，而P区正相反，多数载流子为空穴(即空穴浓度高)，少子为电子(电子浓度低)；在P区与N区的交界面两侧，由于浓度的差别，空穴要从浓度高的P区向浓度低的N区扩散，N区的自由电子要向P区扩散，由于浓度的差别而引起的运动称为扩散运动。这样，在P区就留下了一些带负电荷的杂质离子，在N区就留下了一些带正电荷的杂质离子，从而形成一个空间电荷区。这个空间电荷区就是PN结。在空间电荷区内，只有不能移动的杂质离子而没有载流子，所以空间电荷区具有很高的电阻率。

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