电子技术基础项目化教程课件 项目一 半导体器件的认识 1.2.1 半导体的基础知识 (1).ppt

1.2相关知识1.2.1半导体的基础知识总目录下页自然界中根据导电能力分为导体、绝缘体和半导体。常用的导体一般为银、铜、铝等物体；绝缘体为橡胶、塑料、胶木等；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中属于半导体的物质很多，用来制造半导体器件的材料主要是硅（Si）、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等，硅用得最广泛。其次是锗。将上述的半导体材料进行特殊加工，使其成为性能可控，即可用来制造构成电子电路的基本元件—半导体器件。1.2.1半导体的基础知识下页上页首页半导体除了在导电能力方面不同于导体和绝缘体外，它还具有以下一些其他特点：当半导体受光照射或热刺激时，其导电能力将发生显著改变；掺杂性，即在纯净半导体中掺入微量杂质，其导电能力也会显著增加。利用半导体的这些特性可制成二极管、晶体管、场效应管；还可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件，例如光电二极管、光电晶体管、光敏电阻和热敏电阻等。1.半导体的特性下页上页首页（1）本征半导体纯净的、结构完整具有晶体结构的半导体称为本征半导体。1）本征半导体的原子结构和单晶体结构常用的半导体材料硅和锗都是四价元素，其原子最外层轨道上有四个电子（称为价电子）。为便于讨论，采用图1-1所示的简化原子结构模型。在单晶体结构中，相邻两个原子的一对最外层电子成为共有电子，它们不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原子核的吸引。2.本征半导体和杂质半导体下页上页首页于是，两个相邻的原子共有一对价电子，组成共价键结构。故在晶体中，每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来，如图1-2所示。下页上页首页图1-1硅和锗简化原子模型图1-2本征半导体共价键晶体结构示意图2）本征激发和两种载流子（自由电子和空穴）在绝对零度下，本征半导体中没有可以自由移动的电荷（载流子），因此不导电，但在一定的温度和光照下，少数价电子由于获得了足够的能量摆脱共价键的束缚而成为自由电子，这种现象叫本征激发。价电子摆脱共价键的束缚而成为自由电子后，在原来共价键中必留有一个空位，称为空穴。原子失去价电子后带正电，可等效地看成是因为有了带正电的空穴。在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现，数目相同，如图1-3所示。下页上页首页空穴很容易吸引邻近共价键中的价电子去而被添补，从而使空位发生移动，这种价电子添补空位的运动可以看成是空穴在运动，称为空穴运动。其运动方向与电子的运动方向相反。下页上页首页图1-3本征半导体中的自由电子和空穴自由电子和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象叫复合。温度一定时，自由电子和空穴的产生与复合达到动态平衡自由电子和空穴的浓度一定。本征半导体中的带负电的自由电子又叫电子载流子，带正电的空穴又叫空穴载流子，因此半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电，分别形成电子电流和空穴电流，这一点与金属导体的导电机理不同。在常温下，本征半导体中的载流子浓度很低，温度的升高，载流子浓度基本上按指数规律增加，因此，半导体中载流子的浓度对温度十分敏感。下页上页首页（2）杂质半导体在本征半导体中掺入微量杂质元素，可显著提高半导体的导电能力，掺杂后的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，可形成两种不同的杂质半导体，即N型半导体和P型半导体。下页上页首页1）N型半导体在本征半导体中，掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，则原来晶体中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有五个价电子，因此它与周围四个硅(锗)原子组成共价键时，还多余一个价电子。下页上页首页这个多余的价电子受杂质原子束缚力较弱，很容易成为自由电子，并留下带正电的杂质离子，称为施主离子，半导体仍然是电中性，如图1-4（a）所示。掺入多少个杂质原子就能产生多少个自由电子，因此自由电子的浓度大大增加，这时由本征激发产生的空穴被复合的机会增多，使空穴的浓度反而减少，显然，这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，主要靠电子导电，所以称为电子型半导体，又叫Ｎ型半导体。Ｎ型半导体中，将自由电子称为多数载流子（简称多子）；空穴称为少数载流子（简称少子）。下页上页首页2）P型半导体在本征半导体中，掺入微量三价元素，如硼、镓、铟等，则原来晶体中的某些