第一節(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)_第1頁(yè)
第一節(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)_第2頁(yè)
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第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第一節(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體一、半導(dǎo)體的基本知識(shí)

繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子帶負(fù)電。

自然界的一切物質(zhì)都是由分子、原子組成的。原子又由一個(gè)帶正電的原子核和在它周?chē)咚傩D(zhuǎn)著的帶有負(fù)電的電子組成。正電荷負(fù)電荷=原子結(jié)構(gòu)中:原子核+原子核中有質(zhì)子和中子,其中質(zhì)子帶正電,中子不帶電。(1)導(dǎo)體

導(dǎo)體的最外層電子數(shù)通常是1~3個(gè),且距原子核較遠(yuǎn),因此受原子核的束縛力較小。由于溫度升高、振動(dòng)等外界的影響,導(dǎo)體的最外層電子就會(huì)獲得一定能量,從而掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子。因此,導(dǎo)體在常溫下存在大量的自由電子,具有良好的導(dǎo)電能力。常用的導(dǎo)電材料有金、銀、銅、鋁等。

導(dǎo)體的特點(diǎn):內(nèi)部含有大量的自由電子(2)絕緣體

絕緣體的最外層電子數(shù)一般為6-8個(gè),且距原子核較近,因此受原子核的束縛力較強(qiáng)而不易掙脫其束縛。常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子,因此導(dǎo)電能力極差或不導(dǎo)電。常用的絕緣體材料有橡膠、陶瓷、惰性氣體等。絕緣體的特點(diǎn):

內(nèi)部幾乎沒(méi)有自由電子,因此不導(dǎo)電。(3)半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個(gè),在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間,因而在常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺等。半導(dǎo)體的特點(diǎn):

導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。光敏性——當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí),導(dǎo)電能力增強(qiáng)。熱敏性——當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),其導(dǎo)電能力增強(qiáng)。摻雜性——純凈的半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì),導(dǎo)電能力明顯改變。半導(dǎo)體材料的獨(dú)特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理所決定的。2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性3、本征半導(dǎo)體價(jià)電子共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4表示除去價(jià)電子后的原子本征半導(dǎo)體:完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)中,每一個(gè)原子均與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合,即與相鄰四個(gè)原子的價(jià)電子兩兩組成電子對(duì),形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子,稱(chēng)為價(jià)電子。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子

在熱力學(xué)零度時(shí),半導(dǎo)體不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí),價(jià)電子能量增高,有的價(jià)電子可以?huà)昝撛雍说氖`,成為自由電子——本征激發(fā)。

自由電子產(chǎn)生的同時(shí),在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位,這個(gè)空位為空穴。因本征激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的,稱(chēng)為電子空穴對(duì)。電子和空穴產(chǎn)生過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示若在半導(dǎo)體兩端外加電壓,帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴如何運(yùn)動(dòng)?

在外加電場(chǎng)作用下,自由電子定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流——漂移電流。

空穴吸引相鄰原子中的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ),在價(jià)電子原來(lái)的位置上出現(xiàn)了新的空穴,不斷地重復(fù)運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于空穴運(yùn)動(dòng)——空穴電流。

自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴,使兩者同時(shí)消失——復(fù)合。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子,即自由電子和空穴。帶負(fù)電的自由電子向正極做定向運(yùn)動(dòng),被原子核束縛著的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴使空穴向負(fù)極運(yùn)動(dòng)。兩種載流子形成電荷極性不同,但電流方向相同的電子流。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成:

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子帶負(fù)電荷電子流+總電流載流子空穴帶正電荷空穴流半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理動(dòng)畫(huà)演示本征半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)存在數(shù)量相等的兩種載流子,即自由電子和空穴載流子。在半導(dǎo)體兩端外加電壓,帶負(fù)電的自由電子向正極做定向運(yùn)動(dòng),被原子核束縛著的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴使空穴向負(fù)極運(yùn)動(dòng)。兩種載流子形成電荷極性不同,但電流方向相同的電子流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。溫度越高,載流子的濃度越高,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的一個(gè)重要的外部因素,這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。4、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理總結(jié)

在溫度一定時(shí),這兩種相互矛盾的運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)平衡,單位時(shí)間內(nèi)電子-空穴對(duì)產(chǎn)生和復(fù)合的數(shù)目相等,實(shí)際存在著的電子-空穴對(duì)維持在一定的數(shù)目上。

晶體內(nèi)原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,熱激發(fā)增多,產(chǎn)生超過(guò)復(fù)合,使原來(lái)的平衡被破壞,自由電子和空穴的數(shù)目增多,復(fù)合的機(jī)會(huì)也增大,最后達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡。

說(shuō)明:熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的數(shù)目,是由溫度決定的,在一般室溫下,其數(shù)量甚少;當(dāng)溫度升高時(shí),其數(shù)量隨之增加,即半導(dǎo)體導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)。5.雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì),就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體:空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體:自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。(1)N型半導(dǎo)體+五價(jià)元素磷(P)+4+4+4+4+4+4+4+4+4P摻入磷雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶格中,自由電子的數(shù)量大大增加。在N型半導(dǎo)體中,自由電子數(shù)目大增,自由電子數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)量,自由電子被稱(chēng)為“多數(shù)載流子”(簡(jiǎn)稱(chēng)“多子”);空穴則稱(chēng)為“少數(shù)載流子”(簡(jiǎn)稱(chēng)“少子”)。正離子電子多出一個(gè)電子出現(xiàn)了一個(gè)正離子+4+4+4+4+4+4+4+4P半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子N型半導(dǎo)體形成過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示(2)P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4三價(jià)元素硼(B)B+摻入硼雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶格中,空穴載流子的數(shù)量大大增加。

摻入三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體,空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量,叫做P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中,多數(shù)載流子是空穴,少數(shù)載流子是自由電子,而不能移動(dòng)的離子帶負(fù)電。-出現(xiàn)了一個(gè)空位+4+4+4+4+4+4B+4+4+4+4+4+4+4+4B+4+4負(fù)離子空穴半導(dǎo)體中產(chǎn)生

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