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基础知识44755半导体的基本知识一、半导体材料自然界中的物质,按其导电能力可分为三大类:导体、半导体和绝缘体。半导体(Semiconductor)定义特点:导电能力可控(受控于光、热、杂质等)典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等(可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。掺杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化(可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著增强半导体的特点二、半导体的共价键结构硅和锗的原子结构有一个共同点,即都是四价元素,其原子的最外层电子数都是4个,原子的最外层电子通常称为价电子。价电子受核的束缚力最小,半导体的导电性能与价电子有关,内层电子与原子核构成稳定的惯性核,若用+4代表惯性核所具有的电荷量,则可以用图表示硅或锗的简化原子结构模型。硅或锗制成单晶体后,由于晶体(crystal)中原子之间距离很近,价电子不仅受到其所属原子核的作用,还受到相邻原子的原子核的吸引,即一个价电子为相邻的两个原子核所共有。如图所示,这样,相邻原子之间通过共有价电子的形式而紧密结合起来,即形成“共价键(covalentbond)”结构。本征半导体(IntrinsicSemiconductor)完全纯净的、具有晶体结构的半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子,称为价电子。SiSiSiSi三、本征半导体、空穴及其导电作用SiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,即可挣脱原子核的束缚,成为自由电子(Electron)(带负电),同时共价键中留下一个空位,称为空穴(Hole)(带正电)。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高,晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补,而在该原子中出现一个空穴,其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。电子空穴对:载流子(Carrier)本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!电子空穴对(Electron–HolePair)本征激发(热激发)T=0K时电子(-)空穴(+)复合(bination)当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流注意:(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差;(2)温度愈高,载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中载流子便维持一定的数目。本征半导体的导电机理结论:半导体中存在两种载流子,一种是带负电的自由电子,另一种是带正电的空穴,它们都可以运载电荷形成电流。本征半导体中,自由电子和空穴相伴产生,数目相同。一定温度下,本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡,电子空穴对的数目相对稳定。温度升高,激发的电子空穴对数目增加,半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。四、杂质半导体(dopedsemiconductor)掺杂后自由电子数目大量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形成杂质半导体。多数载流子:电子(主要由杂质原子提供)少数载流子:空穴(由热激发形成)(n-typesemiconductor)施主杂质(Donorimpurities)正离子在常温下即可变为自由电子