高美珍材料科学与工程导论2ppt课件.ppt

18.14半半导导体器件体器件 (Semiconductor Device)半半导导体器件体器件〔 〔有有时时称称为为固体器件固体器件〕 〕的的优优点有，点有，体体积积小，耗能低，不需求小，耗能低，不需求预热时间预热时间p-n结结(p-n junction)整流器或二极管整流器或二极管(diode)，是一种，是一种电电子器件，子器件，只允只允许电许电流沿一个方向流流沿一个方向流动动例如一个整例如一个整流器将交流流器将交流电变为电变为直流直流电电 p-n整流整流结结〔 〔p-n rectifying junction〕〔 〕〔图图18.19a〕 〕 18.19在p－n整流结两端加电势之前，p型一端，空穴是主要载流子，n型区域电子是主要载流子，如图18.19a所示电荷载流子对正向偏压电势的呼应如图18.19b所示p端的空穴和n端的电子被吸引到结处当电子和空穴在结处附近相遇时，它们延续复合，相互湮灭；电子＋空穴  能量 (18.24)因此，大量的电荷载流子流过半导体到达结处，表现出显著的电流和低的电阻率(mA)正向偏压的电流——电压特性画在图18.20的右半边。

18.20反向偏压〔图18.19c〕，空穴和电子作为多数载流子迅速远离结，正负电荷的分别使得结区几乎没有可运动的载流子, 因此结高度绝缘图18.20也显示了反向偏压的电流—电压(I-V curve)行为整流过程表示图为图18.21由图可见，一个交流电经过这样一个p-n结之后变成直流电，因此称为整流二极管〔Rectifer diodes〕反向偏压时，热激发产生的电子-空穴的复合呵斥leakage current反向偏压非常大时，会导致二极管击穿〔breakdown)击穿的方式有两种：齐纳击穿---Zener breakdown：在高掺杂浓度的情况下，势垒区宽度很小，反向电压较大时，价电子脱离共价键束缚，破坏了势垒区内共价键构造，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿雪崩击穿---Avalanche breakdown：当反向电压较大时，外加电场使少子漂移速度加快，从而与共价键中价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对新产生电子-空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地添加，这种击穿称为雪崩击穿 晶体管〔晶体管〔Transistors〕〕晶体管具有两种晶体管具有两种类型功能。

第一，可以放大型功能第一，可以放大电信号其次，在信号其次，在计算机中可以用于开关元算机中可以用于开关元件，件，处置和存置和存储信息晶体管的两种主要信息晶体管的两种主要类型是型是结〔或双模〔或双模态〕晶体管〔〕晶体管〔BJT〕和金属〕和金属氧化物半氧化物半导体体场效效应晶体管〔晶体管〔MOSFET〕结晶体管〔晶体管〔Bipolar Junction Transistors〕〕结晶体管由两个晶体管由两个p－－n结背靠背构成，或者背靠背构成，或者为n－－p－－n型型组合，或者合，或者为p－－n－－p型型组合这里以后者里以后者为例例进展展讨论图18.22是是p－－n－－p结晶体管及其晶体管及其辅助助电路表示路表示图 18.22在p型发射区和搜集区之间插入很薄的n型基极区含有发射极和基极的结电路正向偏压，而基极——搜集极结两端加一反向偏压由于发射极是p型，结1是正向偏压，因此有大量的空穴进入基极区这些流入的空穴在n型基极中是少数载流子，一部分空穴与多数电子复合然而，假设基极特别窄，半导体资料制备的很好，大多数空穴将不与电子发生复合，而是极快地穿过基极，然后穿过结2进入p型搜集极，成为发射极——搜集极电路的一部分。

在发射极——基极电路中输入电压的很小的添加将导致穿过结2的电流的大的增大搜集极电流大的增大也反响在负载电阻器两端电压的大的增大上，这也表示在电路中(图18.22)因此穿过晶体管的电压信号发生了放大，放大效应也经过两个电压——时间曲线表示在图18.22中19-26其中，I0和B是常数， VE是发射极和基极之间的电压18.23金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)一类MOSFET由两个p型半导体小岛组成，这两个小岛是在n型硅基底内构成的，横截面如图18.24所示这两个岛由一个很窄的p型沟道连通，这些岛之间有适当的金属衔接〔源极Source和漏极Drain〕，经过硅的氧化，外表构成一层二氧化硅绝缘层，在外表绝缘层之上有导体接线端子〔门, gate〕18.24MOSFET的任务原理与结晶体管的不同之处在于，只需一种类型载流子〔或者电子，或者空穴〕是活泼的沟道的电导率随门上存在的电场变化例如在门上加一个正场，将使得载流子分开沟道，因此降低了沟道的电导率，这样以来，门上所加电场的一个很小的变化将使得源极和漏极之间的电流产生很大的变化 计算机中的半导体除了可以对电信号进展放大外，晶体管和二极管也可以用作开关元件，此特点可以用在算术和逻辑运算，以及计算机信息存储中。

微型微型电子子线路路图18.25a和和18.25b是是不不同同放放大大倍倍数数的的微微处置置集集成成电路路块的的照照片片这些些显微微图显示示了了集集成成电路复路复杂性微微型型电路路由由许多多层组成成，，都都在在硅硅极极板板之之内内，，或或者者以以非非常常准准确确的的方方式式叠叠摞在在硅硅极极板板之之上上运运用用光光刻刻技技术在在每每一一层上上根根据据微微观组合合方方式式掩掩模模上上很很小小的的元元件件经过在在非非掩掩模模区区域域有有选择地地引引入入特特定定资料料〔〔经过分分散散或或离离子子注注入入〕〕产生生局局域域的的n型型、、p型型、、高高电阻阻率率或或导电区区构构造造电路路元元件件这一一过程程在在每每一一层反复运用，直到消反复运用，直到消费出完好的集成出完好的集成电路 陶瓷和聚合物中的陶瓷和聚合物中的电子子输运特性运特性室温室温时大多数聚合物和陶瓷是大多数聚合物和陶瓷是绝缘资料，它料，它们的的电子能子能带构造构造类似似图18.4c所示填满的价的价带和空和空的的导带由一个比由一个比较大的大的带隙隔开，隙隔开，通常通常带隙大于隙大于2eV因此正常温因此正常温度的度的热能只能将特能只能将特别少的少的电子激子激发跃过带隙，奉献很小的隙，奉献很小的电导率率值。

表表18.3给出了几种出了几种资料的室料的室温温电导率〔大量陶瓷和聚合物率〔大量陶瓷和聚合物资料的料的电阻率列在附阻率列在附录B表表B.9中 18.3当然，许多这类资料的运用是基于其绝缘才干，因此高电阻率是比较理想的随着温度升高，绝缘资料的电导率增大，最后将超越半导体资料的电导率 18.15离子资料的电导离子性资料中的阳离子和阴离子都具有一定电荷，电场存在时，阳离子和阴离子可以迁移或分散，因此这些带电离子的净运动导致电流，这个电流是除了电子运动产生电流之外的另一个电流当然阳离子和阴离子迁移方向相反离子性资料的总的电导率等于电子和离子奉献之和总＝电子性＋离子性 (18.25)那种奉献为主，取决于资料，资料的纯度和温度每种离子对应一个迁移率i， (18.26)其中ni和Di分别是离子的价态和分散系数，e, k和T与前面一样在总的电导率中，离子的奉献和电子的奉献都随温度升高而增大18.16聚合物的聚合物的电电特性特性大多数聚合物大多数聚合物资资料是不良料是不良导导体体〔 〔见见表表18.3〕 〕，，这这些些资资料中，料中，电电子子传导传导机制机制还还没有被很好地没有被很好地了解，但是直了解，但是直觉觉地以地以为为高高纯纯聚合物中聚合物中传导传导是是电电子性的。

子性的导电导电聚合物聚合物过过去曾去曾经经合成出了合成出了电导电导率与金属率与金属导导体等同的体等同的聚合物，它聚合物，它们们被以被以为为是是导电导电聚合物这类资这类资料中有的料中有的电导电导率曾率曾经经高达高达1.5×107( -m)-1基于体基于体积积，，这这一一值对应值对应于于铜铜的的电导电导率的率的1/4，基于分量是，基于分量是铜铜的的电导电导率的两倍率的两倍 在12种聚合物中察看到了这种导电景象这些包括：掺入适当杂质的聚乙炔、聚对苯、聚吡咯、聚苯氨与半导体一样，这些聚合物可以制成n型〔电子为主〕或p型〔空穴为主〕，取决于掺杂物质与半导体不同的是，掺杂原子或分子并不取代或者替代聚合物原子高纯聚合物具有绝缘体〔图18.4c〕的电子能带构造特征导电聚合物中电子和空穴的构成机制很复杂，还未被完全了解简单说来，杂质原子导致新能带构成，新能带与聚合物本征价带和导带重叠，引起带半充溢和室温高浓度自在电子和空穴的构成在聚合物合成过程中，用机械或磁学方法使聚合物链取向陈列，可以得到高度各向异性，沿取向方向，资料电导率有最大值这类导电聚合物具有一系列潜在的用途，由于它们具有低密度，高弹性，容易消费。

目前消费的充电电池运用聚合物作电极，这些电池在许多方面优越于金属电池其它一些能够的运用包括：飞机和航天构件中的敷线〔配线，线路〕，衣服的防静电涂层，电磁屏蔽资料和电子器件〔例如，晶体管和二极管〕。