电工学第七版第14章半导体课件上.ppt
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1、(14-0)第十四章第十四章 二极管和三极管二极管和三极管 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 14.2 PN结结及其单向导电性及其单向导电性 14.3 二极管二极管 14.4 稳压二极管稳压二极管 14.5 晶体管晶体管 14.6 光电器件光电器件(14-1)导导 体:体:自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体,金,金 属一般都是导体。属一般都是导体。绝缘体:绝缘体:有的物质几乎不导电,称为有的物质几乎不导电,称为绝缘体绝缘体,如橡,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体:半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于
2、导体和绝缘体之间,称为体之间,称为半导体半导体,如锗、硅、砷化镓,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体(14-2) 半导体半导体的导电机理不同于其它物质,所以它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: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,它的导电能当受外界热和光的作用时,它的导电能 力明显变化力明显变化 - 热敏特性、光敏特性热敏特性、光敏特性。 往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使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它的导
3、电能力明显改变 - 掺杂特性掺杂特性。(14-3)14.1.1 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构一、本征半导体的结构GeSi 通过一定的工艺过程,可以将半导体制成通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体晶体。 现代电子学中,用的最多的半导体是硅现代电子学中,用的最多的半导体是硅(Si)和锗和锗(Ge),它们的最外层电子(价电子)都是四个。,它们的最外层电子(价电子)都是四个。原子结构图原子结构图(14-4)本征半导体:本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。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在硅和锗晶体中,每个原子都处在正四面体的中心,而
4、相邻四个原子位于四面体的顶点,每个原子与心,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。其相邻的原子之间形成共价键,共用一对价电子。硅和锗的硅和锗的晶体结构:晶体结构:(14-5)硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键、共价键、共用电子对共用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子(14-6) 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为称为束缚电子束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成,常温下束缚电子很难脱离共价键成为为自由电子自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,因
5、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。所以本征半导体的导电能力很弱。 共价键形成后,每个原共价键形成后,每个原子最外层电子是八个,构成子最外层电子是八个,构成比较稳定的结构。比较稳定的结构。 共价键有很强的结合力,共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。使原子规则排列,形成晶体。+4+4+4+4(14-7)二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度(度(T=0K)和没有外界激发时,)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚,本征半导体中没有价电子完全被共价键束缚,本征半导体中没有可以可以自由运动的带电粒子自由运动的带电粒子(即(即载流子载流子
6、),它的),它的导电能力为导电能力为 0,相当于绝缘体。,相当于绝缘体。在常温下,由于热激发,使一些价电子获在常温下,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,成为得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由自由电子电子,同时共价键上留下一个空位,称为,同时共价键上留下一个空位,称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴(14-8)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子(14-9)2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4 在其它力的作用下,在其它力的作用下,空穴可吸引附近的电子空穴可吸引附近的电子来填补,其结果相当于来填
7、补,其结果相当于空穴的迁移,而空穴的空穴的迁移,而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于正电荷的移动,因此可认为空穴是动,因此可认为空穴是载流子。载流子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子:本征半导体中存在数量相等的两种载流子:自由电子自由电子和和空穴空穴。自由电子:在晶格中运动;空穴:在共价键中运动自由电子:在晶格中运动;空穴:在共价键中运动(14-10) 温度越高,载流子的浓度越高,本征半温度越高,载流子的浓度越高,本征半导体的导电能力越强,导体的导电能力越强,温度是影响半导体性温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素能的一个重要的外部因素,这是半导体的一,这是半导体的一大特点。大特点。
8、本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成:本征半导体中电流由两部分组成: 1. 自由电子做定向运动所形成的电子电流。自由电子做定向运动所形成的电子电流。 2. 仍被原子核束缚的仍被原子核束缚的价电子价电子填补空穴形成的空穴电流。填补空穴形成的空穴电流。(14-11)14.1.2 N 型半导体和型半导体和P 型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质,会使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。半导体的某种
9、载流子的浓度大大增加。P 型半导体:型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。称为(空穴半导体)。N 型半导体:型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。也称为(电子半导体)。(14-12)一、一、N 型半导体型半导体+4+5+4+4多余多余电子电子磷原子磷原子在硅或锗晶体中掺入在硅或锗晶体中掺入少量少量的的,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,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
10、共价键,必定多出一个电子,这个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,电子几乎不受束缚,很容易被激发成为很容易被激发成为自由电子,这样磷自由电子,这样磷原子就成了不能移原子就成了不能移动的动的带正电带正电的离子。的离子。(14-13)N 型半导体中的载流子是什么?型半导体中的载流子是什么?1.1.由五价元素提供的电子,浓度与五价元素原子相同。由五价元素提供的电子,浓度与五价元素原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。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
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