第1章 常用半导体器件.ppt

第1章常用半导体器件
半导体基本知识
半导体二极管
半导体三极管
绝缘栅型场效应管
实训常用半导体器件识别与检测
导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。在自然界中属于半导体的物质很多,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等,其中硅用的最广泛。

完全纯净而具有晶体结构的半导体称为本征半导体。比较典型的本征半导体有硅和锗晶体,它们都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子,如图1-1所示。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。
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这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。

晶体原子间的共价键具有很强的结合力,在绝对温度为零度时,价电子不能挣脱共价键的束缚,也就不能自由移动,所以共价键内的价电子又称为束缚电子。这样,本征半导体中虽有大量的价电子,但没有自由电子,此时半导体是不导电的。当温度升高或受光照射时,价电子不断从外界获得一定的能量,少数价电子因获得的能量较大而挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来的共价键的相应位置留下一个空位,这个空位称为“空穴”,
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如图1-3所示,其中A处为空穴,B处为自由电子。显然,自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发。
2. 两种载流子
本征激发产生自由电子和空穴。当共价键中失去一个价电子出现一个空穴时,如图1-3中A处,与其相邻处于热运动状态的价电子很容易填补到这个空穴中来,使该价电子原来所在的共价键中出现一个空穴,如图1-3中C处,这样空穴便从A处移至C处;同样,邻近的价电子(图中D处)又可填补C处的空穴,空穴又从C处移到D处。
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因此,空穴可以在半导体中自由移动,实质上是价电子填补空穴的运动(二者运动方向相反)。在电场作用下,大量的价电子依次填补空穴的定向运动也形成电流。为了区别于自由电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电量与电子相等,符号相反。
可见,在本征半导体中存在两种载流子:带负电荷的电子载流子和带正电荷的空穴载流子。
3. 本征半导体的主要特性
(1)热敏和光敏特性
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当温度升高或光照增强时,本征半导体内被束缚在共价键内的价电子将获得更多的动能,因此本征激发产生电子空穴对数目显著增加,其导电能力大大增强。可见,本征半导体的导电性能对温度和光照很敏感,这就是它的热敏和光敏特性。利用半导体的热敏和光敏特性可制成热敏元件(例如热敏电阻)和光敏元件(例如光敏电阻、光电管)。
(2)掺杂特性
在本征半导体中掺入微量的其他元素,称为掺杂,这些微量元素称为杂质,掺入杂质的半导体称为杂质半导体。虽然本征半导体的导电能力很弱,但掺杂后半导体的导电能力将大大增强,
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掺入的杂质越多,半导体的导电能力就越强,这就是它的掺杂特性。利用半导体的掺杂特性,可制造出各种类型的半导体器件。当然,掺入杂质的种类和数量是要严格控制的,否则得到的杂质半导体将不是我们所需要的。

根据掺入杂质的不同,杂质半导体有N型和P型两种。

在纯净的硅(或锗)晶体中,掺入少量五价元素,如磷、砷等。由于掺入的元素数量较少,因此整个晶体结构基本上保持不变,只是某些位置上的硅原子被磷原子替代。
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磷原子五个价电子中的四个与硅原子形成共价结构,而多余的一个价电子处共价键之外,很容易挣脱磷原子核的束缚成为自由电子。于是半导体中自由电子的数目明显增加,这样就大大地提高了半导体的导电性能。由于磷原子可以提供电子,故称施主杂质。在掺有施主杂质的半导体中,由于空穴数量远少于自由电子数量,故自由电子被称为多数载流子(简称多子),空穴被称为少数载流子(简称少子)。这种杂质半导体主要以电子导电为主,称为电子半导体,简称N型半导体。如图1-4所示。
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在纯净的硅(或锗)晶体中,掺入少量三价元素,如硼、铝等,硼原子与周围的硅原子形成共价键时,会因缺少一个价电子而在共价键中出现一个空位,这个空位很容易被相邻的价电子填补,而使失去价电子的共价键出现一个空穴。这样在杂质半导体中出现