北科大电子技术第14章.pptx

电子技术模拟电路部分第十四章 半导体器件(1-)第十四章 二极管和三极管§ 14.1 半导体的导电特性§ 14.2 PN结及其单向导电性§ 14.3 二极管§ 14.4 稳压二极管§ 14.5 晶体管§ 14.6 光电器件(14-)§14.1 半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。(14-) 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化 -- 热敏特性、光敏特性。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变 -- 掺杂特性。(14-)GeSi14.1.1 本征半导体一、本征半导体的结构 现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。原子结构图 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。(14-)硅和锗的晶体结构：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。(14-)SiSi+4Si硅和锗的共价键结构共价键、共用电子对+4表示除去价电子后的原子价电子(14-)+4+4+4+4 共价键形成后，每个原子最外层电子是八个，构成比较稳定的结构。 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。(14-)二、本征半导体的导电机理1.载流子、自由电子和空穴在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。(14-)+4+4+4+4空穴自由电子束缚电子自由电子、空穴成对出现(14-)+4+4+4+42.本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。 在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是载流子。自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动(14-)+4+4+4+4本征半导体中电流由两部分组成：当本征半导体外加电场时 1. 自由电子做定向运动 所形成的电子电流。 2. 仍被原子核束缚的价电子按一定方向依次填补空 穴形成的空穴电流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。(14-)本征半导体载流子的浓度 自由电子在运动过程中如果和空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。 在一定的温度下自由电子和空穴的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子维持一定的数目。 但是由于这时的载流子数量很少，所以导电能力很差。 温度越高，热运动加剧，自由电子和空穴增多，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。(14-)14.1.2 N 型半导体和P 型半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。(14-)在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。SiSi+5Si一、N 型半导体多余电子磷原子(14-)N 型半导体中的载流子是什么？1.由五价元素提供的电子，浓度与五价元素原子相同。2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。 因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。 (14-)在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时产生一个空位。这个空位可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。