电子技术基础半导体器件基础知识.pptx
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1、电子技术基础半导体器件基础知识1现在学习的是第1页,共30页目目 录录contentscontents1导体、半导体、绝缘体32本征半导体3掺杂半导体2110现在学习的是第2页,共30页一、导体、半导体和绝缘体一、导体、半导体和绝缘体31.1.物质分类物质分类 根据物质导电能力根据物质导电能力(电阻率电阻率)的不同,来划分导体、绝缘体的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。和半导体。导导导导 体体体体:1010108 8mm 半导体半导体半导体半导体:10106 6mm10108 8mm现在学习的是第3页,共30页一、导体、半导体和绝缘体一、导体、半导体和绝缘体41.1.物质分类物质分类 导体导体
2、铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。导电。半导体半导体半导体半导体硅(硅(SiSi)、锗()、锗(GeGe),均为四价元素,它们),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘
3、体之间。现在学习的是第4页,共30页一、导体、半导体和绝缘体一、导体、半导体和绝缘体52.2.物质导电能力有差异的内因物质导电能力有差异的内因 绕原子核高速旋转的核外绕原子核高速旋转的核外电子电子带负电带负电带负电带负电。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。电的电子组成。正电荷正电荷正电荷正电荷负电荷负电荷负电荷负电荷=原子结构中:原子结构中:原子核原子核中有质子和中子,其中原子核中有质子和中子,其中质子质子带正电带正电带正电带正
4、电,中子不带电。,中子不带电。现在学习的是第5页,共30页一、导体、半导体和绝缘体一、导体、半导体和绝缘体62.2.物质导电能力有差异的内因物质导电能力有差异的内因 导体的最外层电子数通常是导体的最外层电子数通常是1-31-3个,且距原子核较远,因此受原子核的个,且距原子核较远,因此受原子核的束缚较小。由于温度升高、振动等外界的影响,导体的最外层电子会获得束缚较小。由于温度升高、振动等外界的影响,导体的最外层电子会获得一定能量,挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此,导体在一定能量,挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此,导体在常温下存在大量的自由电子,具有良好的导电能力。常用
5、的导电材料有银、常温下存在大量的自由电子,具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。铜、铝、金等。原子核导体的特点:导体的特点:导体的特点:导体的特点:内部含有大量的自由电子现在学习的是第6页,共30页一、导体、半导体和绝缘体一、导体、半导体和绝缘体72.2.物质导电能力有差异的内因物质导电能力有差异的内因 绝缘体的最外层电子数一般为绝缘体的最外层电子数一般为6-86-8个,且距原子核较近,因此受原子核个,且距原子核较近,因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。的束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子,因此导电能力极差或常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子,
6、因此导电能力极差或不导电。不导电。常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。原子核绝缘体的特点:绝缘体的特点:绝缘体的特点:绝缘体的特点:内部几乎没有自由电子,因此不导电。内部几乎没有自由电子,因此不导电。现在学习的是第7页,共30页一、导体、半导体和绝缘体一、导体、半导体和绝缘体82.2.物质导电能力有差异的内因物质导电能力有差异的内因 半导体的最外层电子数一般为半导体的最外层电子数一般为4 4个,在常温下存在的自由电子数个,在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间,因而在常温下半导体的导电能力也是介于介于导体和绝缘体之间,因而在常温下半导体的导电能力也
7、是介于导体和绝缘体之间。导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。半导体的特点:半导体的特点:半导体的特点:半导体的特点:虽然导电性能介于导体和绝缘体之间,但是虽然导电性能介于导体和绝缘体之间,但是具有其独特的性能。具有其独特的性能。原子核现在学习的是第8页,共30页一、导体、半导体和绝缘体一、导体、半导体和绝缘体93.3.半导体的特性半导体的特性(1)(1)热敏性热敏性热敏性热敏性:导体的导电能力对温度反应灵敏,受温度影响大。当环:导体的导电能力对温度反应灵敏,受温度影响大。当环境温度升高时,其导电能力增强,称为热敏性。利用热敏性可制成境温度升高时,其
8、导电能力增强,称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。热敏元件。(2)(2)光敏性光敏性光敏性光敏性:导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时,导:导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时,导电能力增强,称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。电能力增强,称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)(3)掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性:导电能力受杂质影响极大,杂质浓度越高导电能力越强,称为:导电能力受杂质影响极大,杂质浓度越高导电能力越强,称为掺杂性。掺杂性。现在学习的是第9页,共30页二、本征半导体二、本征半导体10+Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图SiSi+4+4G
9、eGe+4+4因为原子呈电中性,所以简化模因为原子呈电中性,所以简化模型图中的原子核只用带圈的型图中的原子核只用带圈的+4+4符符号表示即可。号表示即可。最常用的半导体为硅最常用的半导体为硅(Si)(Si)(原子序数(原子序数1414)和锗)和锗(Ge)(Ge)(原子序数(原子序数3232),),它们的共同特征是它们的共同特征是四价元素四价元素四价元素四价元素,即每个,即每个原子最外层电子数为原子最外层电子数为原子最外层电子数为原子最外层电子数为4 4 4 4个个个个。1.1.硅和锗的原子简化模型硅和锗的原子简化模型现在学习的是第10页,共30页二、本征半导体二、本征半导体11 本征半导体本征
10、半导体本征半导体本征半导体不含任何杂质晶格结构完整的半导体晶体。不含任何杂质晶格结构完整的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%,常称为,常称为“9999纯纯度度”。2.2.本征半导体本征半导体现在学习的是第11页,共30页二、本征半导体二、本征半导体123.3.硅晶体结构图硅晶体结构图现在学习的是第12页,共30页二、本征半导体二、本征半导体13+4价电子价电子价电子价电子+4现在学习的是第13页,共30页二、本征半导体二、本征半导体144.4.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 把硅和锗
11、材料制成单晶体时,相邻两个原子的一对最外层电子把硅和锗材料制成单晶体时,相邻两个原子的一对最外层电子成为共有电子,它们一方面围绕自身的原子核运动,另一方面又出成为共有电子,它们一方面围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上,即价电子不仅受到自身原子核的作用,现在相邻原子所属的轨道上,即价电子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。于是,相邻的原子共有一对价电子,同时还受到相邻原子核的吸引。于是,相邻的原子共有一对价电子,组成组成共价键结构共价键结构共价键结构共价键结构。每一个原子均与相邻的四个原子结合,即。每一个原子均与相邻的四个原子结合,即与相邻四与相邻四与相
12、邻四与相邻四个原子的价电子两两组成四对电子对个原子的价电子两两组成四对电子对个原子的价电子两两组成四对电子对个原子的价电子两两组成四对电子对。444444444实际上半导体实际上半导体实际上半导体实际上半导体的晶格结构是的晶格结构是的晶格结构是的晶格结构是三维的。三维的。三维的。三维的。晶格结构晶格结构晶格结构晶格结构共价键结构共价键结构共价键结构共价键结构现在学习的是第14页,共30页二、本征半导体二、本征半导体4.4.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构在绝对温度在绝对温度T=0KT=0KT=0KT=0K时时时时,所有的价电子都紧紧束缚在共价键中,所有的价电子都紧紧束缚在共价键中,
13、不会成为自由电子不会成为自由电子不会成为自由电子不会成为自由电子,因此本征半导体的导电能力很弱,因此本征半导体的导电能力很弱,接近接近接近接近绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体。15现在学习的是第15页,共30页二、本征半导体二、本征半导体5.5.本征半导体中的本征激发本征半导体中的本征激发444444444从共价键晶格结构来从共价键晶格结构来看,每个原子外层都看,每个原子外层都具有具有8 8个价电子。但个价电子。但价电子是相邻原子共价电子是相邻原子共用,所以稳定性并不用,所以稳定性并不能象绝缘体那样好。能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原在游离走的价电子原位上留下一个不能移位上留下一个不能移动的空位,
14、叫动的空位,叫空穴空穴。受光照或温度上升影响,受光照或温度上升影响,共价键中价电子的热运共价键中价电子的热运动加剧,一些价电子会动加剧,一些价电子会挣脱原子核的束缚游离挣脱原子核的束缚游离到空间成为到空间成为自由电子自由电子。由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发本征激发本征激发本征激发。本征激发的结果,造成了半导体内部本征激发的结果,造成了半导体内部自由电子载流子运动自由电子载流子运动自由电子载流子运动自由电子载流子运动的产生,由此本征的产生,由此本征半导体的电中性被破坏,使半导体的电中性被破坏,使失掉电子的原子变成失掉电子的原子变成
15、带正电荷的离子。带正电荷的离子。由于共价键的束缚作用,这些带正电的离子不会移动,即不能参与导电,成为由于共价键的束缚作用,这些带正电的离子不会移动,即不能参与导电,成为晶体中固定不动的晶体中固定不动的带正电离子带正电离子带正电离子带正电离子。16现在学习的是第16页,共30页二、本征半导体二、本征半导体6.6.本征半导体中的自由电子本征半导体中的自由电子-空穴对复合空穴对复合4 44 44 44 44 44 44 44 44 4受光照或温度受光照或温度上升影响,共上升影响,共价键中其它一价键中其它一些价电子直接些价电子直接跳进跳进空穴,使空穴,使失电子的原失电子的原子子重新恢复重新恢复电中性电
16、中性。价电子填补空穴的现象称为价电子填补空穴的现象称为复合复合复合复合。参与复合的价电子又会留下一个新的空位,而这个新的空穴仍会参与复合的价电子又会留下一个新的空位,而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上,这种价电子填补空穴的复合运被邻近共价键中跳出来的价电子填补上,这种价电子填补空穴的复合运动动称为称为空穴载流子运动空穴载流子运动空穴载流子运动空穴载流子运动。此时整个此时整个晶体带电晶体带电吗?为什吗?为什么?么?17现在学习的是第17页,共30页二、本征半导体二、本征半导体7.7.本征半导体的导电机制本征半导体的导电机制 自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移自由电子载流
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