电工与电子技术 教学课件 ppt 作者 韩敬东 第3章
69页1、,第三章 半导体器件与基本的放大电路 3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体的基本知识 1、半导体的概念 在日常生活中,我们经常看到或用到各种各样的物体,它们的性质是各不相同的。有些物体,如金、银、铜、铝、铁等,具有良好的导电性能,我们称它们为导体。相反,有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电,我们称它们为绝缘体(或非导体)。还有一些物体,如锗、硅、砷化镓及大多数的金属氧化物和金属硫化物,它们既不象导体那样容易导电,也不象绝缘体那样不易导电,而是介于导体和绝缘体之间,我们把它们叫做半导体。它们内部的原子都按照一定的规律排列着,绝大多数半导体都是晶体。因此,人们往往又把半导体材料称为晶体,这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。,2、半导体的特性 1)热敏特性:半导体对温度很敏感。 导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时,半导体的电阻率变化却很明显;例如纯锗,温度每升高10度,它的电阻率下降到原来的一倍左右。由于半导体的电阻对温度变化的反应灵敏,而且大都具有负的电阻温度系数,所以人们就把它制成了各种自动控制装置中常用的热敏电阻传感器,利用它们能迅速测
2、量物体温度的变化。 2)光敏特性:半导体对光和其它射线都很敏感。也就是说,照射的光线强度不同,它的导电性能也会发生很大的变化。 例如一种硫化镉半导体材料,在没有光照射时,电阻高达几十兆欧; 若有光照射时,电阻可降到几十千欧,两者相差上千倍。3)掺杂特性:半导体对杂质很敏感。所谓杂质,是在纯净的半导体中掺进微量的某种元素,这对其导电性能影响极大。 在金属或绝缘体中,如果杂质含量不超过千分之一,它的电阻率变化是微不足道的。但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。以锗为例,只要含杂质一千万分之一,电阻率就下降到原来的十六分之一。,3、本征半导体 纯净的、具有一定晶体结构的半导体,称为本征半导体。当本征半导体的温度升高或受到光线照射时,其共价键中的价电子就从外界获得能量,就有少量的价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子,同时在原来共价键上留下了相同数量的空位,由于该空位失去电子,因而带正电,我们把此带正电的空位称为空穴,所以本征半导体中电子和空穴总是成对地出现,它们的数目相等,称为电子一空穴对。这种现象称为本征激发。由于自由电子和空穴都可以参与导电形成电流,因此称它们为载流子。 在产生电子-空穴对
3、的同时, 有的自由电子在杂乱的热运动中又会不断地与空穴相遇,重新结合,使电子-空穴对消失, 这称为复合。在一定温度下载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是一定的。在常温下,本征半导体受热激发所产生的自由电子和空穴数量很少,同时本征半导体的导电能力远小于导体的导电能力,导电能力很差。温度升高,激发速度首先增加,所产生的电子空穴对也增加,由于电子空穴的增加,因而复合的速度也增加,重新达到平衡,但此时电子空穴浓度是增加的,半导体的导电能力也就增强。反之,导电能力也就减弱。,4、掺杂半导体 1) P型半导体:在本征半导体中掺入三价元素杂质,如硼、镓、铟等,因杂质原子的最外层只有3个价电子,它与周围硅(锗)原子组成共价键时, 缺少一个电子,于是在晶体中便产生一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其它激发条件下获得能量时,就有可能填补这个空穴,使硼原子成为不能移动的负离子,而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子,形成空穴。 这样,掺入硼杂质的硅半导体中就具有数量相当的空穴,空穴浓度远大于电子浓度,这种半导体主要靠空穴导电,称为P型半导体。掺入的三价杂质原子,因在硅晶体中接受电子
4、,故称受主杂质。 2)N型半导体: 在本征半导体中掺入五价元素杂质,如磷、锑、砷等。 掺入的磷原子取代了某处硅原子的位置,它同相邻的4个硅原子组成共价键时,多出了一个电子,这个电子不受共价键的束缚,因此在常温下有足够的能量使它成为自由电子。这样,掺入杂质的硅半导体就具有相当数量的自由电子,且自由电子的浓度远大于空穴的浓度。显然,这种掺杂半导体主要靠电子导电, 称为N型半导体。由于掺入的五价杂质原子可提供自由电子,故称为施主杂质。,3.1.2 PN结及其特性 P型或N型半导体仅仅是导电能力增强了, 但还不具备半导体器件所要求的各种特性。如果通过一定的生产工艺把一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起,则它们的结合处就会形成PN结,利用PN结的特性就可以制作成各种半导体器件。 1、 PN结的形成 当P型半导体和N型半导体通过一定的工艺结合在一起时, 由于P型半导体的空穴浓度高,电子浓度低,而N型半导体的自由电子浓度高,空穴浓度低,所以交界面附近两侧的载流子形成了浓度差。浓度差将引起载流子的扩散运动,如图3. 1(a)所示。有一些电子要从N型区向P型区扩散,并与P型区的空穴复合; 也有一些空
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