2.半导体
半导体 概念
半导体概念
半导体是一种电子材料,具有介于导体和绝缘体之间的电导特性。
半导体的导电性能在室温下较差,但在一定条件下可以变得非常优秀。
半导体广泛应用于电子技术、光电子技术和太阳能电池等领域。
半导体的原子结构与导体和绝缘体都不同。
半导体中的原子有四个价电子,它们共享电子形成共价键。
但是,当半导体中引入杂质原子时,它们可以取代原子结构中的某些原子,并创建缺陷,使半导体中出现额外的电子或电子空穴。
这些杂质原子被称为掺杂剂。
半导体的导电性能可以通过掺杂剂的添加来改变。
在掺杂剂的作用下,半导体中的电子和电子空穴数量增加,导致导电性能的提高。
掺杂剂通常分为两类:n型和p型。
n型掺杂剂是五价元素,如磷和砷,它们在半导体中引入额外的电子。
p型掺杂剂是三价元素,如硼和铝,它们在半导体中引入额外的电子空穴。
半导体器件是利用半导体特性制造的电子器件。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管、场效应管和集成电路等。
半导体器件的制造需要精密的工艺和技术,但由于其广泛应用和不断发展的技术,半导体行业已成为全球最具活力和最有前途的行业之一。
- 1 -。
2.半导体的主要特性
河北经济管理学校教案
序号:1编号:JL/JW/7.5.1.03
2.21授课主题描述半导体的主要特征
教学目的1.什么是半导体
2.能够知道P型半导体和N型半导体的特点
教学
重点、难点重点:半导体的主要特征
难点:P型半导体和N型半导体的特点
教学准备教案,板书,教材
教学过程设计与时间分配
一、课堂导入与提问(10min)
二、讲授新课(55min)
1.半导体的概念
2.电子技术的核心是半导体
3.P型半导体和N型半导体(重点)
5.节点电压法的概念
三、课堂小结(15min)
四、布置作业(10min)
河北经济管理学校教案
教案内容
一、课堂导入与提问(10min)
生活中哪些电子元器件是利用半导体制作出来的?我们的生活中根据导电能力的强弱可以分成哪几种?这节课我们来学习半导体这个物质。
二、讲授新课(55min)
通,加反向电压时截止,这种特性称为PN结的单向导电性。
半导体行业的了解
半导体行业的了解
1. 什么是半导体?
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的物质,具有介于导体和绝缘体之间的电
导率。
常见的半导体材料包括硅和锗等。
2. 半导体行业的发展历程
半导体行业起步于20世纪中叶,随着电子技术的发展,半导体产业快速崛起。
从最初的二极管、晶体管到现在的集成电路、芯片,半导体技术不断创新。
3. 半导体行业的应用领域
半导体广泛应用于电子产品、通信设备、计算机等领域。
无论是智能手机、电脑、还是汽车、工业设备,都离不开半导体技术的支持。
4. 半导体行业的发展趋势
随着人工智能、物联网等技术的兴起,半导体行业也迎来了新的发展机遇。
未来,随着5G、6G等新一代通信技术的普及,半导体行业将迎来更多的发展机遇。
5. 半导体行业的竞争格局
全球半导体行业竞争激烈,美国、日本、韩国等国家都是半导体行业的重要参
与者。
同时,中国也在加大对半导体产业的支持力度,力争在全球半导体产业中占有一席之地。
6. 未来展望
随着科技的不断发展,半导体行业将会继续发展壮大。
在人工智能、物联网的
推动下,半导体行业有望实现更多的突破和创新。
以上是关于半导体行业的基本了解,希望对您有所帮助。
第三节 半导体
第三节半导体
半导体是当今电子行业最基础的材料之一,其作用和意义不容小觑。
在此我们将深入探讨半导体的相关知识。
一、什么是半导体?
半导体是指在室温下,其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
有
时也被称为半导体晶体。
二、半导体的种类
从其晶体结构来看,半导体可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅等。
三、半导体的应用
1、集成电路 - 由于半导体表现出了半导体-绝缘体-金属场效应,能
够强制控制流经半导体器件的电流强度和方向,因此可用于制作各种
逻辑、振荡器等集成电路。
2、光电器件 - 利用半导体光电特性制作出的器件,如太阳能电池、发光二极管、激光器等。
3、功率器件 - 利用半导体导电性能和电特性,制作出高变换效率、低损耗、高可靠性的功率电子元器件,如IGBT器件等。
4、传感器 - 利用半导体的光电、温度、湿度、压力等特性制作出的传感器器件。
四、半导体技术的发展趋势
1、晶体管微型化和集成化 - 在实际应用中,需要更高的速度、更小的面积和功耗,因此晶体管制作微型化和集成化是半导体技术的重要趋势。
2、功率器件的高效率和大功率 - 随着人们生活水平的提高,需要更高效、更可靠、更节能的电子设备,因此功率器件的高效率和大功率是半导体技术的趋势。
3、新型材料的开发 - 蓝宝石、碳化硅等新型材料在一定应用领域已得到广泛的应用,半导体技术发展也将趋于多样化。
总而言之,半导体技术因其广泛的应用领域和重要的作用被越来越广泛地关注着,也将成为电子行业长期的研究方向之一。
2—半导体的基本特性
学生仔细听教师讲解
学生回答问题
了解什么是半导体和本征半导体。
学生通过观看图片了解半导体的结构。
教师解释什么是复合。
学生了解本征半导体中的两种载流子。
了解什么是杂质半导体。
学生讨论本征半导体和杂质半导体的区别。
说明N型半导体和P型半导体的特点。
教师对本节课总结。
2’
3’
10’
5’
8’
这个电子只受自身原子核吸引,在室温下可成为自由电子。
失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动,
并带有正电荷,称为正离子。
在这种杂质半导体中,
电子的浓度大大高于空穴的浓度。
因主要依靠电子导电,
故称为电子型半导体。
5价的杂质原子可以提供电子,所以称为施主原子。
空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?
5’
5’
10’
15’
7’
5’
5’
板书设计
一、本征半导体
1、什么是半导体?什么是本征半导体?
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
课后小结
本节课主要讲解了半导体的相关特性,主要讲解了本征半导体和杂质半导体的相关理论,本节课的内容比较复杂,学生理解起来比较困难,为了能让学生更好的理解本节课知识,教师应多联系生活中的实际,加深学生印象,在以后的教学中尽量列举生活中常见的例子,以帮助学生理解。
温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。
热力学温度0K时不导电。
二、杂质半导体
在本征半导体中掺入某种特定的杂质,就成为杂质半导体。
1. N型(或电子型)半导体(N-type semiconductor)
在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素,
半导体重要基础知识点
半导体重要基础知识点
半导体是指具有介于导体和绝缘体之间电导率的材料。
它在现代电子
学中起着重要的作用,广泛应用于各种电子器件和技术中。
在学习半
导体的基础知识时,以下几个关键概念是不可或缺的。
1. 能带理论:
能带理论是解释半导体电导性质的基础。
它将固体材料中电子的能量
划分为能量带,包括导带和禁带。
导带中的电子可以自由移动,导致
材料具备良好的导电性;而禁带中没有电子,因此电子无法自由移动。
2. 纯净半导体:
纯净半导体由单种原子构成,并且没有杂质。
其中,硅是最常用的半
导体材料之一。
纯净的半导体通常表现为绝缘体,因为其禁带宽度较大,电子无法跃迁到导带。
3. 杂质掺杂:
为了改变半导体的导电性质,可以通过掺杂过程引入杂质。
其中,掺
入五价元素(如磷、砷)的半导体称为n型半导体,因为杂质的额外
电子可以增加导电性能;而掺入三价元素(如硼、铝)的半导体称为p 型半导体,因为杂质的缺电子位可以增加导电性能。
4. PN 结:
PN结是由n型半导体和p型半导体相接触而形成的结构。
在PN结中,形成了一个漏斗状的能带结构,其中P区域的缺电子位和N区域的额
外电子形成了势垒。
这个势垒可以控制电子的流动,使得PN结可以用
于逻辑门、二极管等电子器件中。
半导体作为现代电子技术的基础之一,无论是手机、计算机还是各种
智能设备,都离不开半导体器件的应用。
因此,熟悉半导体的基础知识对于理解和应用现代科技至关重要。
2、半导体工艺原理-扩散
薄层电阻Rs(方块电阻) 表面浓度:扩散层表面的杂质浓度。
扩散层质量参数
方块电阻
方块电阻是标志扩散层质量的另一个重要参数, 一般用R□或Rs表示,单位是Ω/□ 。
2、恒定杂质总量扩散
扩散开始时,表面放入一定量的杂质源,而在以后的扩散
过程中不再有杂质加入。假定扩散开始时硅片表面极薄一层内
单位面积的杂质总量为 QT ,杂质的扩散长度远大于该层厚度,
则杂质的初始分布可取为 函数,扩散方程的初始条件和边界
条件为
0 N (x, t)dx QT
N (,t) 0
2 NS1
D1t1 D2t2
exp
x
2 j
4 D2t2
NB
即可解得
xj 2
D2t2
ln
2 NS1
NB
1
D1t1 D2t2
2
A
D2t2
掺杂分布控制:
3.3 简单理论的修正
前面得出的扩散后的杂质分布是采用理想化假设的结果, 而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异,主要有:
1、二维扩散(横向扩散) 实际扩散中,杂质在通过窗口垂直向硅中扩散的同时,也 将在窗口边缘沿表面进行横向扩散。考虑到横向扩散后,要得 到实际的杂质分布,必须求解二维或三维扩散方程。横向扩散 的距离约为纵向扩散距离的 75% ~ 80% 。由于横向扩散的存在, 实际扩散区域大于由掩模版决定的尺寸,此效应将直接影响到 VLSI 的集成度。
2、杂质浓度对扩散系数的影响
前面的讨论假定扩散系数与杂质浓度无关。实际上只有当 杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度 ni(T) 低时,才可认 为扩散系数与掺杂浓度无关。在高掺杂浓度下各种空位增多, 扩散系数应为各种电荷态空位的扩散系数的总和。
半导体基本知识2
➢ 由两个或两个以上具有足够含量的的元素构成的固体溶液,如果具有半导体性质,就称为
固溶半导体,简称固溶体或混晶。半导体材料中提纯残留的杂质和有意掺入的杂质与本体 材料也形成固溶体,但因这些杂质的含量很低,在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面,固溶半导体又与化合物半导体有区别,后者是靠其价键按一定化学配比构成, 而固溶体组成元素的含量在其固溶度范围内可连续变化,其半导体及有关性质也随之变化。 利用固溶半导体的这一特点可得到性质多样的半导体材料以满足不同的应用要求。主要的 固溶体半导体有:元素固溶体Ge-Si,III-V族固溶体Ga1-xAlxAs,II-VI族固溶体HgxCd1xTe等。
➢ 化合物半导体
➢ 化合物半导体可分为无机化合物半导体和有机化合物半导体两种。有机化合物半导体仍处
研究探索阶段,一般所说的化合物半导体指无机化合物半导体。无机化合物半导体由两种 (二元系)或多种(多元系)元素组成。由III族和V族元素组成的III-V族化合物半导体 GaAs是应用最广的化合物半导体,用于制作微波器件、激光器和集成电路。其它如InP、 AlP、GaP、InAs、InSb等III-V族化合物半导体,ZnS、CdS、ZnSe、HgSe等II-VI族化合 物半导体、IV-IV族化合物半导体材料SiC等都有一定的应用。多元系化合物半导体用途较 少。
➢ 一般说,施主和受主杂质均为替位式杂质。它们掺入晶体后,要取代晶格中硅原子的
位置。见图4- 2。
图4- 2 硅中施主杂质和受主杂质
2006-7-12
6
N型半导体和P型半导体(续)
➢ 图4- 2(a)中,磷原子有五个价电子,由于硅晶体中每个原子只有四个近邻
2006-7-12
3
什么是半导体
什么是半导体?
半导体是一种介于导体(如金属)和绝缘体(如塑料)之间的材料。
在半导体中,电子的导电能力介于导体和绝缘体之间,即在一定条件下,半导体可以导电,但在其他条件下则表现为绝缘。
这种特性使得半导体在电子器件中具有重要的应用价值。
半导体的导电性质可以通过外加电场、温度或光照等外部条件进行控制,这种控制能力是现代电子器件的基础。
半导体的导电性主要依赖于两种载流子:电子和空穴。
在纯净的半导体中,电子和空穴的数量相等,因此其导电性较弱。
但通过在半导体中引入杂质或施加外部电场,可以改变电子和空穴的浓度,从而调节半导体的导电性能。
半导体在电子技术中有广泛的应用,包括但不限于:
1. **集成电路(IC)**:半导体晶体管的集成电路是现代电子产品的核心,如微处理器、存储器等。
2. **光电子器件**:半导体的光电特性使其用于光电二极管、激光器、光伏电池等。
3. **传感器**:利用半导体的电阻、电容或光电效应制作的传感器,用于测量温度、压力、光照等物理量。
4. **太阳能电池**:利用半导体材料的光电转换效应制作的太阳能电池,将光能转化为电能。
5. **电子管件**:半导体二极管、三极管等在电路中用于整流、
放大、开关等功能。
6. **发光二极管(LED)**:通过半导体材料的电致发光特性制作的LED,用于照明、显示等。
7. **光伏电池**:半导体材料制成的光电池,可以将光能转化为电能,用于太阳能发电等。
总的来说,半导体是现代电子技术的基础,其特性和应用推动了信息技术、通信技术、能源技术等领域的发展和进步。
光刻胶概念一览表
光刻胶概念一览表光刻胶概念一览表随着微电子、半导体、光电子和其他高新技术的发展,对光刻胶的需求越来越大。
然而,对于光刻胶这一概念,很多人并不太了解。
下面,我们将介绍一些与光刻胶相关的概念,以便更好地了解和使用光刻胶。
1、光刻胶的定义光刻胶是一种通过光刻技术,将图案或图像的形状转移到半导体材料表面的重要材料之一。
光刻胶可用于制备微型电子元件、机械装置和图案。
2、光刻胶的分类按照用途的不同,光刻胶可以分为以下几类:(1)正胶:用于沟槽、线、阵列等结构的制备。
(2)反胶:用于制备负图案,主要是负形结构。
(3)双层胶:由覆盖在基础上的正胶和底部的反胶组成,用于加深沟槽和减小线宽度。
3、光刻胶的制备过程光刻胶的制备大致可以分为三个步骤:(1)底层制备:这一步骤包括淀粉和玻璃等基础结构的制备。
(2)胶层覆盖:在基础结构上覆盖光刻胶。
(3)曝光和蚀刻:曝光胶层并进行蚀刻,从而将光刻胶中的图形转移到基础结构表面。
4、光刻胶的性能指标(1)分辨率:指的是光刻胶加工后的线宽度。
(2)感光度:光刻胶吸收和转化光辐射的能力。
(3)显影性能:显影液在胶层表面停留时间和显影效果的好坏。
5、光刻胶的应用领域(1)微电子:在集成电路制造中,光刻胶可用于制造各种微型电子元件。
(2)半导体:光刻胶是制造高精度半导体元件的重要材料之一。
(3)光学:光刻胶可以用于制造微型透镜和其他光电子器件。
综上所述,光刻胶是现代高科技制造中不可或缺的材料。
通过对光刻胶相关的概念、分类、制备过程、性能指标和应用领域的介绍,希望读者能够更好地了解和使用光刻胶。
半导体面试题目(3篇)
第1篇一、基础知识部分1. 请简述半导体材料的基本概念及其分类。
2. 解释什么是本征半导体、n型半导体和p型半导体,并说明它们之间的区别。
3. 什么是掺杂?为什么掺杂对于半导体的应用至关重要?4. 什么是载流子?请分别说明电子和空穴载流子的性质。
5. 什么是能带?简述价带、导带和禁带的概念。
6. 什么是能级?请解释能级与能带之间的关系。
7. 什么是施主和受主?它们在半导体中的作用是什么?8. 请解释半导体中的电导率是如何受到温度影响的。
9. 什么是霍尔效应?它在半导体中的应用有哪些?10. 什么是PN结?简述PN结的形成过程、特性和应用。
二、器件原理部分1. 请简述晶体管的工作原理,包括NPN和PNP晶体管。
2. 什么是场效应晶体管(FET)?请解释其工作原理和特性。
3. 什么是MOSFET?请说明其结构、工作原理和优缺点。
4. 什么是二极管?请解释二极管的基本特性和应用。
5. 什么是三极管?请说明三极管的基本特性和应用。
6. 什么是整流器?请列举几种常见的整流器类型及其工作原理。
7. 什么是稳压器?请说明稳压器的工作原理和应用。
8. 什么是放大器?请解释放大器的基本特性和应用。
9. 什么是滤波器?请列举几种常见的滤波器类型及其工作原理。
10. 什么是振荡器?请解释振荡器的基本特性和应用。
三、电路设计部分1. 请简述半导体电路设计的基本流程。
2. 什么是模拟电路和数字电路?请分别说明它们的特点。
3. 什么是电路仿真?请列举几种常见的电路仿真软件。
4. 什么是版图设计?请说明版图设计的基本流程和注意事项。
5. 什么是集成电路封装?请列举几种常见的集成电路封装类型。
6. 什么是测试与验证?请说明测试与验证在半导体电路设计中的重要性。
7. 什么是电路优化?请列举几种常见的电路优化方法。
8. 什么是电源设计?请说明电源设计的基本原则和注意事项。
9. 什么是信号完整性?请解释信号完整性对电路设计的影响。
10. 什么是电磁兼容性?请说明电磁兼容性在电路设计中的重要性。
半导体物理基础2
1、什么是半导体?
在上一节中,我们从电子填充能带的情况说明 了什么是半导体。
半导体是一种具有特殊导电性能的功能材料, 其电阻率介于10-4到1010欧姆厘米之间,介于金属导 体和绝缘体之间。半导体的导电性质可以随着材料的 纯度、温度及其它外界条件(如光照)的不同而变化。
受主杂质的电离过程也可以用能带图表示。
(能带图中空穴的能量是越向下越高)
将被受主杂质束
缚的空穴的能量
状态称为受主能 级,记为EA。当 空穴得到能量 EA 后 就 从 受 主 的束缚态跃迁到
价带成为导电空 穴,所以EA比价 带 顶 Ev 低 , 并 且 由 于 EA《Eg , 所以受主能级位
于离价带顶很近 的禁带中。
在纯净的半导体中掺入受主杂质后,受 主杂质电离,使价带中的导电空穴增多,增强 了半导体的导电能力。通常把主要依靠空穴导 电的半导体称为空穴型或 p型半导体。
对于p型半导体:空穴浓度p》电子浓度n;np=ni2
空穴是多数载流子,简称多子, 电子是少数载流子,简称少子。
总之,根据对导电性的影响,半导体中 的杂质又可分为两种类型。当杂质能级能提供 电子时(施主杂质),半导体主要靠杂质电离 后提供的电子导电,这种半导体称为n型半导 体;另一种杂质可以提供禁带中空的能级(受 主杂质),因而价带中有些电子可以激发到受 主能级上而在价带中产生大量空穴,这种半导 体称为p型半导体,其主要靠空穴导电。
n0=p0=(NcNv)1/2 exp(-Eg/2kT) = ni ni称为本征载流子浓度
Nc、Nv 是导带底和价带
n0
顶的有效状态密度;
Ec k是波耳兹曼常数;
Eg
本征激发 T为温度;
第二代半导体的发展现状与趋势-概述说明以及解释
第二代半导体的发展现状与趋势-概述说明以及解释1.引言1.1 概述第二代半导体指的是采用铜铟镓硒(CIGS)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等材料制备的半导体器件。
与传统硅基半导体相比,第二代半导体具有更高的电导率、更低的漏电流和更高的工作温度等优势。
本文旨在探讨第二代半导体的发展现状与趋势,为读者提供关于这一领域的最新动态和未来发展方向。
1.2 文章结构本文将首先介绍第二代半导体的基本概念和特点,包括其与第一代半导体的区别和优势。
接着将详细分析目前第二代半导体在各个领域的发展现状,包括材料、器件、应用等方面的最新进展。
最后,我们将展望第二代半导体的未来发展趋势,探讨其在新兴技术领域的应用前景,为读者提供一个全面了解和认识第二代半导体的途径。
通过本文的阐述,读者将对第二代半导体的发展现状和未来发展趋势有一个清晰的认识,为进一步深入研究和应用提供一个参考框架。
1.3 目的本文旨在对第二代半导体的发展现状与趋势进行深入探讨,以全面了解这一领域的最新发展动态。
通过分析第二代半导体的定义、特点、发展现状以及未来发展趋势,可以帮助读者更好地了解该领域的重要性和潜在机遇。
同时,本文也旨在为相关领域的研究者、企业和投资者提供有价值的参考和启发,以促进第二代半导体技术的进一步发展和应用。
希望通过此文的撰写,能够为促进第二代半导体领域的发展做出一定的贡献,推动其在未来科技创新和产业发展中的重要作用。
2.正文2.1 第二代半导体的定义与特点第二代半导体是指相对于第一代半导体材料而言的一类新型半导体材料,具有一些独特的特点。
第一代半导体主要是指硅材料,而第二代半导体则包括了多种新型材料,如化合物半导体、氮化镓、碳化硅等。
第二代半导体的特点主要包括以下几点:1. 带宽较大:第二代半导体具有比传统硅材料更宽的带隙,可以实现更高的频率运行,具有更高的功率密度和更低的功耗。
2. 更高的载流子迁移率:第二代半导体材料具有更高的载流子迁移率,可以提高器件的工作速度和性能。
半导体第2章 PN结 总结
第二章PN结1. PN结:由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触(原子级接触)所形成的结构.任何两种物质(绝缘体除外)的冶金学接触都称为结(junction),有时也叫做接触(contact)。
2。
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。
除金属-半导体接触器件外,所有结型器件都由PN结构成。
3。
按照杂质浓度分布,PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4。
空间电荷区:PN结中,电子由N区转移至P区,空穴由P区转移至N区.电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。
它们是荷电的、固定不动的,称为空间电荷。
空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
5. 内建电场:P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场—-空间电荷区电场,也叫内建电场。
PN结自建电场:在空间电荷区产生缓变基区自建电场:基区掺杂是不均匀的,产生出一个加速少数载流子运动的电场,电场沿杂质浓度增加的方向,有助于电子在大部分基区范围内输运。
大注入内建电场:在空穴扩散区(这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能)。
6. 内建电势差:由于内建电场,空间电荷区两侧存在电势差,这个电势差叫做内建电势差(用表示).7。
费米能级:平衡PN结有统一的费米能级。
准费米能级:当pn结加上外加电压V后,在扩散区和势垒区范围内,电子和空穴没有统一的费米能级,分别用准费米能级。
8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压:P正N负反偏压:P负N正9。
空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区:N区电子进入P区需要克服势垒,P区空穴进入N区也需要克服势垒.于是空间电荷区又叫做势垒区。
耗尽区:空间电荷区内的载流子完全扩散掉,即完全耗尽,空间电荷仅由电离杂质提供。
这时空间电荷区又可称为“耗尽区”.中性区:PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)。
耗尽区主要分布在低掺杂一侧,重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。
10。
单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布11. 载流子载流子:能够导电的自由粒子。
半导体第2章(2)
考虑到正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介 质中,则电子受正电中心的引力将减弱εr 倍,束缚能量将减弱εr2倍。再考虑到电子不 是在自由空间运动.而是在晶格周期性势场中
运动,所以电子的惯性质量m0要用有效质量mn* 代替。
施主杂质电离能
ΔE D
=
mn*q 4
8ε
r2ε
2 0
h
2
=
mn* m0
图2-11是III、V族化 合物砷化镓中替位式 杂质和间隙式杂质的 平面示意图,A、B分 别是取代镓和砷的杂 质,C为间隙杂质。
I族元素
一般在砷化镓引入受主能级,起受主作用,如 银受主能级为(EV+0.11)ev,(EV+0.238)ev;金 受主能级为(EV+0.09)ev;替位式铜受主能级 为(EV+0.14)ev,(EV+0.44)ev,铜原子Cu-Cu引 人受主能级(EV+0.24)ev;间隙式锂离子引入 受主能级(EV+0.023)ev;此外还发现间隙式铜 引入施主能级((Ec-0.07)ev 。而Na元素,有 人发现它起施主作用,但没有采用它作掺杂 剂。
位于立方体某顶角的圆球中心与距离此顶角为1/4 体对角线长度处的圆球中心间的距离为两球的半径 之和2r。它应等于边长为a的立方体的体对角线长度
3 a的1/4.因此。圆球的半径r= 3 a/8。八个圆球 的体积除以晶胞的体积为
[8×(4/3)πr3]/a3=31/2π/16=0.34
这一结果说明,在金刚石型晶体中,一个晶胞 内的八个原子只占有晶胞体积的34%,还有66 %是空隙。金刚石型晶体结构中的两种空隙如 图2-l所示。这些空隙通常称为间隙位置。图 2-l(a)为四面体间隙位置,它是由图中虚线连 接的四个原子构成的正四面体中的空隙T;图 2-1(b)为六角形间隙位置.它是由图中虚线连 接的六个原子所包围的空间H。
第二章 半导体二极管及其应用电路
2.光敏特性 许多半导体受到光照辐射,电阻率下降。利
用这种特性可制成各种光电元件。
3.掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后,
它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就 可制成各种不同用途的半导体器件,如半导体二极管、三极管 晶闸管、场效应管等。
直流工作电流 I D
ID
US1 U F RS(6 Nhomakorabea0.7)V 1k
5.3mA
二极管的动态电阻
26mV 26mV
rd
ID
4.9
5.3mA
再令 US1 0 ,利用二极管的微变模型,求出流过二极管的交
流电流 id
id
us2 RD rd
0.2sin 3140 tV (1 4.9 10 3 )kΩ
2. P型半导体
在四价晶体中掺入微量的三价元素,这种杂质半导体中, 空穴浓度远大于自由电子浓度,空穴为多子,自由电子为少子。 这种半导体的导电主要依靠空穴,称其为P型半导体(P-type semiconductor)或空穴型半导体。
2021/3/2
7
需要指出的是:
不论是N型还是P型半导体,整个晶体仍然呈中性。
描述稳压管特性的主要参数为稳定电压值 U Z 和
最大稳定电流 2021/3/2
I Zmax。
26
参数简介:
是指稳压管正常工作时的额定电压值。由
稳定电压U Z : 于半导体生产的离散性,手册中的往往给出的
是一个电压范围值。
最大稳定电
是稳压管的最大允许工作电流。在使用时,
流 I Zmax:
实际工作电流不得超过该值,超过此值时,稳压 管将出现热击穿而损坏。
哈工大--课件半导体物理(第二章)模板
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.1213.6 0.00637eV 162
对于Si,ml=0.98m0 , mt =0.19m0, r =12 代入可得mn* 0.26m0
故
ED
mn* m0
E0
2 r
பைடு நூலகம்
0.26 13.6 122
0.025eV
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.4 深能级杂质
深能级的形成
Ⅵ族杂质.多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚, 类似于一个氦原子,其每个电子平均受到大于一电子电荷 的正电中心的作用,从而深能级杂质的电离能比浅能级杂 质要大。在电离出一个电子后,带有两个正电荷的杂质中 心使第二个电子电离需要更大能量,对应更深的能级,所 以Ⅵ族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级,如锗中的硒、 碲。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级
浅能级杂质:电离能小的杂质称为浅能级杂质。
所谓浅能级,是指施主能级靠近导带底,受主 能级靠近价带顶。
室温下,掺杂浓度不很高的情况下,浅能级杂 质几乎可以可以全部电离。五价元素磷(P)、 锑(Sb)在硅、锗中是浅受主杂质,三价元 素硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In) 在硅、锗中为浅受主杂质。
杂质补偿:半导体中存在施主杂质和受 主杂质时,它们的共同作用会使载流子 减少,这种作用称为杂质补偿。在制造 半导体器件的过程中,通过采用杂质补 偿的方法来改变半导体某个区域的导电 类型或电阻率。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
1)ND NA : 受主能级低于施主能级,剩余杂质 ND NA
半导体的基本知识2
因留下的空受穴主很原子
容易俘获电子,
+4
使杂质原子成为
负离子。三价杂
质因而也称为受
+4
主杂质。
注意:
+4
杂质半导体仍保持电中性
+4
+4
+3
+4
邻近的电子落入 +4 受主+4的空位,
留下可移动的空穴
杂质半导体
① 空穴型(P型)半导体
空穴是多数载流子,
故称空穴型半导体,
掺杂越多,空穴越多,
+4
+4
+4
知识点: 半导体的基本知识(2) ➢杂质半导体
杂质半导体
——在本征半导体中掺入微量的杂质, 其电导率大大提高。
① 空穴型( P型 )半导体
掺入三价元素,如B、Al、In等,形成P型半导体。
② 电子型( N型 )半导体
掺入五价元素,如P、Se等,形成N型半导体。
杂质半导体
受主获得一个电子
① 空穴型(P型)半导体 而形成一个负离子
+++ +++
若使P型半导体和 N型半导体“亲 密接触”,会发 生什么现象?
电子空穴对
带正电的 施主离子
电子
+4
+4
+5
+4
+4
+4
杂质半导体
② 电子型(N型 )半导体
电子是多数载流子,
故称电子型半导体,
掺杂越多,电子越多,
+4
+4
+4
导电能力更高。
杂质原子提供
+4
第一代、第二代、第三代半导体材料
第一代、第二代、第三代半导体材料分别是
第一代是单质,第二代和第三代都是镓的化合物
1.第一代半导体材料bai主要是指硅(duSi)、锗元素(Ge)半导体材料。
作为第一代半导体材料的锗和硅,在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用,硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。
2.第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体,如GaAsAl、GaAsP;还有一些固溶体半导体,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体),如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;有机半导体,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
3.第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。
在应用方面,根据第三代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域,每个领域产业成熟度各不相同。
在前沿研究领域,宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。
高中物理 第二章 第2节 半导体课时作业 教科版选修33
第2节半导体1.与导体相比,半导体有如下不同的特性.(1)导体中电流的载体(载流子)为自由电子,而半导体中电流的载体除自由电子外,还有“________”.(2)半导体的电阻率对掺入杂质非常________.通过控制半导体材料的__________,可以控制半导体材料的导电性能.(3)在一般情况下,导体的电阻率与温度成线性关系,即电阻率随温度升高而增大;半导体材料的电阻率与温度的关系则较为复杂,有些半导体材料对________、________非常敏感,外界温度、光照的微小改变都能使________迅速发生变化.2.在纯净的半导体材料中掺入不同的杂质,会形成不同类型的半导体,其中以__________导电为主的称为N型半导体,以________导电为主的称为P型半导体.把N型半导体与P 型半导体通过一定的技术手段结合在一起,可形成PN结,也就是一个半导体二极管,二极管具有________性,利用此特性可以将交流电变成直流电.将一层P型(或N型)半导体夹进两层N型(或P型)半导体之间可制成三极管,三极管具有____________或____________的作用.3.光敏电阻是利用半导体材料在光照条件下,其电阻率迅速________的特性制成的一种半导体器件.热敏电阻是利用半导体材料在温度变化时,其电阻率迅速________的特性而制成的半导体器件.4.发光二极管具有____________、________________、_________、________________、所发出的光中无________________,对人体无任何损害等特点.5.科学家研究发现,许多材料当其厚度、横截面的线度或其颗粒的线度在1~100 nm时,就会表现出十分奇特的力学、热学、磁学、光学、化学等性质.人们把特征尺寸在1~100 nm,并具有新特性的材料称为纳米材料.____________、____________、纳米机器人、纳米陶瓷、____________等是由纳米材料衍生出来的一些高科技产品.6.下列关于半导体、超导体的说法中,正确的是( )A.半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间,可制作二极管B.半导体的导电性能良好,可制作远距离输电导线C.超导体的导电性能最好,可制作电炉丝D.超导体的电阻为零,没有实际用途7.关于光敏电阻,下列说法正确的是( )A.受到光照越强,电阻越小B.受到光照越弱,电阻越小C.它的电阻与光照强弱无关D.以上说法都不正确【概念规律练】知识点一半导体材料的特性1.半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质,以下关于其导电性能的说法正确的是( )A.半导体导电能力介于导体和绝缘体之间,性能稳定B.在极低的温度下,纯净的半导体像绝缘体一样不导电C.在较高温度时,半导体的导电性能会大大增强,甚至接近金属的导电性能D.半导体中掺入杂质后,其导电性能会减弱2.下列对晶体二极管单向导电性解释正确的是( )A.由于用作半导体材料的硅是一种单晶体,而单晶体具有各向异性,所以晶体二极管具有单向导电性B.由于在硅中掺入了少量的磷(或砷),使物质的组成发生变化所致C.由于硅中掺入三价元素硼后,缺少一个电子,多出一个带正电的空穴,而空穴不能自由移动,所以只靠电子定向移动导电,因此具有单向导电性D.由于晶体二极管由PN结组成,加正向电压时,N型半导体的电子受电场力作用而越过PN 结,形成电流,二极管导通;当加反向电压时,电子在电场力作用下很难越过PN结,因此表现出单向导电性知识点二光敏电阻和热敏电阻的特性3.如图1所示,图1R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度减弱时( )A.电压表的示数增大B.R2中电流增大C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大图2在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制.如图2所示电路,定值电阻R1,半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),电容器C.当环境温度降低时( )A.电容器C的带电量增大B.电压表的读数增大C.电容器C两板间的电场强度减小D.R1消耗的功率增大知识点三纳米材料的性能5.下列认识正确的是( )A.纳米是一种尺寸很小的材料,是纳米材料的简称B.纳米技术就是重新排列原子而制造具有新分子结构的技术C.纳米是一个长度单位D.纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能6.纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能,以下关于纳米材料的性能的说法中正确的是( )A.在力学性能方面,纳米材料具有高强、高硬和良好的塑性B.在热学性能方面,纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多C.在电学性能方面,纳米金属在低温时会呈现超导电性D.在化学性能方面,纳米材料化学活性低,因此化学稳定性强1.影响半导体的导电性能的物理因素有( )A.温度 B.光照 C.纯净度 D.压力2.下列物体中,用到了半导体材料的是( )A.智能机器狗 B.白炽灯泡C.普通干电池 D.滑动变阻器3.图3所示的电子体温计根据流过半导体制成的感温头的电流来反映人的体温,这利用半导体( )A.良好的导电特性B.良好的绝缘特性C.电阻随温度变化而变化的特性D.电阻随光照变化而变化的特性4.图4有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图4所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法中正确的是( )A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化,这只元件一定是定值电阻C.用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是光敏电阻D.用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比,欧姆表示数相同,这只元件一定是定值电阻5.图5半导体温度计是利用热敏电阻制造的.如图5所示,如果待测点的温度升高,那么( ) A.热敏电阻变大,灵敏电流表示数变大B.热敏电阻变大,灵敏电流表示数变小C.热敏电阻变小,灵敏电流表示数变大D.热敏电阻变小,灵敏电流表示数变小6.图6如图6所示的电路中,两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,LED为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与LED相距不远,下列说法中正确的是( )A.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率增大B.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率减小C.当滑动触头P向右移动时,L消耗的功率可能不变D.无论怎样移动触头P,L消耗的功率都不变7.图7如图7所示,定值电阻R1,负温度系数的热敏电阻,小灯泡L,当温度降低时( ) A.R1两端的电压增大B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变强D.小灯泡的亮度变弱8.如图8所示电路中,电源电动势为E,内阻为r,R T为负温度系数热敏电阻,R为光敏电阻,闭合开关后,小灯泡L正常发光,由于环境条件改变(光照或温度),发现小灯泡亮度变暗,则引起小灯泡变暗的原因可能是( )图8A.温度不变,光照增强 B.温度升高,光照不变C.温度降低,光照增强 D.温度升高,光照减弱9.上海世博会场里很多的照明灯是LED灯,LED灯是一种新型的高效节能光源,它的核心元件是发光二极管.现在用的二极管主要是由下列哪种材料制成( )A.陶瓷材料 B.金属材料C.半导体材料 D.纳米材料题号123456789答案10.图9如图9所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔分别与光敏电阻R 的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的中央.若用不透光的黑纸将R包裹起来,表针将向________(填“左”或“右”)转动;若用手电筒的光照射R,表针将向________(填“左”或“右”)转动.11.图10如图10所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R T的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中央.若在R T上擦一些酒精,表针将如何摆动?若用吹风机将热风吹向电阻,表针将如何摆动?第2节半导体课前预习练1.(1)空穴(2)敏感杂质浓度(3)温度光照电阻率2.电子空穴单向导电放大信号开、关电流3.下降改变4.耗电量小可以用低压(6 V以下)直流电作为电源也可以用市电(220 V)作电源固体化、体积小紫外线和红外线5.太空电梯隐形飞机纳米涂料6.A7.A课堂探究练1.BC [半导体材料的导电性能受温度、光照及掺入杂质的影响,故A 错误.掺入杂质后半导体材料的导电性能会大大增强,故选项D 错误.]点评 半导体材料是一种新型微电子材料,其电阻率介于导体与绝缘体之间,但易受外在条件的影响.2.D [晶体二极管的单向导电性是由半导体中导电粒子能否在电场力作用下顺利通过PN 结所决定的.]3.BD [当光照减弱时,R 3的阻值增大则并联部分的阻值增大,进而并联部分的电压增大,流过R 2的电流I 2增大,B 正确.而且由于外电路的阻值变大,路端电压增大,D 正确;电路的总电阻增大,则干路电流I 干减小,由U R 1=I干R 1知,电压表的示数减小,A 错误.由I L=I 干-I 2知流过小灯泡的电流减小,则小灯泡的功率减小,C 错误.]点评 当照射光敏电阻的光增强时,光敏电阻的阻值减小;当光减弱时,阻值增大. 4.AB [当环境温度降低时,热敏电阻阻值变大,电路的总电阻变大,由I =ER 总知I 变小,又U =E -Ir ,则电压表的读数U 增大,B 正确;又由U 1=IR 1及P 1=I 2R 1可知U 1变小,R 1消耗的功率P 1变小,D 错误;电容器两板间的电压U 2=U -U 1,U 2变大,由场强E ′=U 2d,Q =CU 2可知Q 、E ′都增大,故A 正确,C 错误.]5.BCD [纳米是一个长度单位,1 nm =10-9m ,俗话说:“纳米不是米,蓝牙不是牙”.它比一般的分子、原子要大,纳米材料是对分子、原子进行重新排列而得到的材料,它具有很多特性.综上所述,B 、C 、D 正确.]6.AB [纳米材料具有良好的性能,在力学性能方面,纳米材料具有高强、高硬和良好的塑性,A 正确.在热学性能方面,纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多,B 正确.在电学性能方面,纳米材料在低温时会呈现电绝缘性;而在化学性能方面,纳米材料具有相当高的化学活性,故选项C 、D 错误.]点评 (1)力学性能:高强、高硬和良好塑性 (2)热学性能:熔点较低(3)电学性能:低温时会呈现电绝缘性 (4)化学性能:具有相当高的化学活性 课后巩固练 1.ABC 2.A 3.C4.AC [热敏电阻的阻值随温度变化而变化,定值电阻和光敏电阻不随温度变化;光敏电阻的阻值随光照变化而变化,定值电阻和热敏电阻不随之变化.]5.C6.A7.C8.AC [由题图可知,当光敏电阻阻值减小或热敏电阻阻值增大时,小灯泡L都会变暗,结合光敏电阻特性可知,A项正确,B项错误;若光敏电阻阻值减小的同时,热敏电阻的阻值增大,小灯泡L也会变暗,C项正确;若热敏电阻减小,光敏电阻增大,则小灯泡变亮.D 项错误.]9.C10.左右解析光敏电阻受光照越强,电阻越小,所以将R用不透光的黑纸包起来,电阻增大,指针左偏;若用手电筒的光照射R,电阻减小,指针右偏.11.见解析解析由于酒精蒸发,热敏电阻R T温度降低,电阻值增大,指针应向左偏;用吹风机将热风吹向电阻,电阻R T温度升高,电阻值减小,指针将向右偏.。
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To introduce semiconductors it is useful to start by reviewing conductors. There are two perspectives one can take in exploring conduction,We can think of devices and thus be interested in bulk properties (voltage, resistance etc) Or(2) We can think of materials and thus take a microscopic view in terms of electric field, current density etc.First we will look at the materials of semiconductors, so the second perspective is best. Then we will introduce devices composed of semiconductors.conductivity (S)6.071Semiconductors 2The DC electrical properties of materials can be expressed in terms of a conductivity, which is the inverse of the resistivity and reported in Siemens ( or mho/m). The plot on the right shows the range of conductivities for common materials.Here we are primarily interested in silicon which is a very poor conductor.6.071Semiconductors 3Band structure• an insulator has all its electrons tied up as valence electrons andthere is a large energy jump to make these free.• a metal has a partially filled band that allows electrons mobility.• a semi-conductor has a small band gap between the filled valenceband and the conduction band. Thus for a small energy cost thematerial will conduct.The conduction properties of a pure material can be directly related to the materials electron structure. As you recall from chemistry and physics classes, the electron structure is composed of a series of energy levels that electrons systematically fill.A metal has a partially filled band of energy levels thus providing the freedom for electrons to move between these and thus move through the material.An insulator has a completely filled band and then a large energy gap before the next lowest lying empty band. Electrons can only move if they acquire the energy necessary to jump to this set of empty levels. The larger the energy spacing, the harder this is to achieve and thus the better the insulator.Semiconductors have filled bands, like an insulator, but with a relatively small band-gap to the lowest lying unfilled levels. Thus some electrons can have the energy to provide mobility. Of course the average energy of an electron is a function of temperature and thus the conductivity is a function of temperature.6.071Semiconductors 4Silicon and semiconductors• silicon is abundant and can be grown as a very pure, large crystal.• The conductivity of pure silicon is quite low, all electrons are tied upas valence electrons.• It is easy to form an oxide layer on Si and the conductivity of thisglass is extremely low (it is a very good insulator).• Si can be doped to add either electrons or holes as conductors.Silicon is a wonderful material for semiconductor applications.First the conduction is quite low for pure silicon. It is not zero, but mostly you can think of silicon as an array of covalently bonded atoms.Also, silicon can be highly purified, so that any impurities that are intentionally placed in silicon will easily dominate unintentional defects.Finally, while pure silicon is a poor conductor, silicon dioxide (glass) is a very good insulator.Much of the advantages of using silicon are associated with the extremely precise processing of silicon that has been engineered over the past 50 years.6.071Semiconductors 5V+-The intrinsic conductivity of silicon comes in two types:The motion of electrons,And the motion of holes (empty sites waiting for an electron).As an analogy you can think of the atoms as an array of buckets, and the electrons as balls placed in the buckets. If there are many empty buckets and only a few balls, then you would keep track of the distribution by noting the locations of the balls. On the other hand, if there are many balls and only a few buckets without, then it is more efficient to take note of which buckets are empty rather than trying to keep track of all the balls. In either case it is the balls that are moving however.Also notice that since the electrons are moving if there are only a few vacencies, then for an apparent motion of a hole many electrons must move and thus it is not surprising that the mobility of holes is lower than that of electrons.Clearly the full understanding of this requires quantum mechanics and you should not hold too firmly to this picture which is only given to motivate that the behavior is “reasonable.”materials are called n-type for negative charge carrier.PP6.071Semiconductors 6The real power of using silicon is derived from doping it, adding small amounts of other elements to dramatically change the conductivity.Silicon has four outer valence electrons and thus would like to participate in four covalent bonds. By doping this elements that have more or less valence electrons the extra electrons or holes (lack of electrons) provides a carrier for conduction. Phosphorous, and other group V elements, have five conduction electrons and thus when added as impurities into silicon introduces electron carriers. Such materials are called n-type since the majority carrier is negatively charged (an electron).appear to move. Also note that both n and p type materials areBB6.071Semiconductors 7Boron, and other group III elements, have only 3 valence electrons and thus when added to silicon introduce hole (lack of electron) carriers. These are called p-type since the effective carrier type appears to be positively charged.It is important to recognize that while the impurities are adding carriers and thus significantly varying the conductivity of the composite material, they are not changing the charge. The dopants are added as neutrals and the overall material remains electrically neutral. This is in exactly the same way that a good conductor (say copper) is also neutral.6.071Semiconductors 8doped siliconDoping a semiconductor introduces levels in the normallyforbidden gap between the valence and conduction bands. Themost interesting properties of these new materials arise from theinterplay of the charge carries at the interface (junction) between nand p type materials.From a solid state physics point of view the effect of doping is to introduce energy levels into the band gap between the filled valence band of silicon and the higher levelconduction band. These donor or acceptor levels effectively reduce the band gap and make conduction easier.The term donor arises since in N-type materials each dopant atom donates an electron. Similarly acceptor arises since in P-type materials each dopant atom accepts an electron (or is a hole).6.071Semiconductors 9extrinsic (doped) semiconductorIn doped semiconductors the typical impurity concentration is1022donor or acceptor atoms per m 3. This is 5 to 6 orders ofmagnitude higher concentrations than the intrinsic conductors insilicon. So the number of free carriers is very nearly the dopinglevel.An important relationship for any doped semiconductor is*:(# electron carriers) x (# hole carries) = (# intrinsic electrons)2Therefore, doping a semiconductor reduces the concentration ofminority carries: the conduction is primarily by the impuritycarrier.* The demonstration of this is beyond this class, needing Boltzmann statistics and solid state physics.σ=eN d µn ; n -type semiconductorσ=eN a µp ; p -type semiconductorThis is a small point, but the message to remember is that in doped semiconductors the action happens with the impurity carrier.Thus in n-type doped materials follow the electrons and in p-type doped materials follow the holes.extrinsic (doped) semiconductorCalculate the conduction of arsenic and indium doped silicon at1022atoms per m3.Arsenic is a n-type dopant.σ=eN dµn=(1.6⋅10−19)(1022)(0.135)=216S/mIndium is a p-type dopant.σ=eN aµp=(1.6⋅10−19)(1022)(0.048)=77S/mrecall that the intrinsic conductivity of silicon is much lower.σi=4.4⋅10−4S/mAlso note that the atomic density of silicon is5⋅1028A/m36.071Semiconductors 10The points to remember are:The conductivity is a function of the dopant concentration,Doped materials end up with conductivities of about graphite (good conductors about like a low value resistor).N and P type materials have different conductivities.Even in a heavily doped material the dopant is still only present in parts per million levels.PN Junction A junction of P-and N-type doped silicon.acceptor freehole bounddonorionfreeelectronUnstable free charge distribution Stable charge distribution The opposite charges onThe interest in semiconductors is in how they behave when you put two or more together. By itself a doped semiconductor is just a resistor and there are much easier ways of constructing resistors.The device in the upper left is a PN junction (a P-doped material placed next to an N-doped material). This forms a diode.In the lower left is shown the configuration of dopants, electrons and holes that would be there if the two materials were placed side by side but not touching.When a PN junction is formed the charges and holes meeting at the interface combine and annihilate. This introduces a depletion zone around the junction where there is a net lack of carries. Again notice that since a negative electron annihilates with a positive hole, then net structure remains neutral.The annihilation of carriers releases some energy and this can be used to generate light photons (such as in the case of light emitting diodes - LEDs), and alternatively light can be used to create carriers, such as the case of photo-diodes and photo-transistors. These will be introduced latter.6.071Semiconductors PN Junctionq EVdepletion zone 0.7 V** for Si, 0.2 V forThe lack of charge carriers at the interface of a PN junction means that there is a charge separation across the junction (since the dopants are in no way effected by the carrier annihilation). The charge separation introduces an electric field across the junction and this a voltage. Notice that while there is a charge separation, there is not any excess charge, the device is electrically neutral.The area of the electric field (or charge separation) is called the depletion zone since the annihilation of charge carriers results in an area at the junction where there are no carriers.For silicon devices the charge separation results in a voltage of 0.7 V across the interface. This is the origin of the voltage needed to turn on a diode.For germanium based semi-conductors the charge separation leads to a small junction voltage (0.2 V).I oVI d is the diffusion current (carriers diffusing across the junction)I o is the minority current (minority carriers from the intrinsic carriers).The essence of the action of a forward biased PN junction is that you can inject majority carriers. So a PN junction with a positive voltage across it has electrons being injected into the N-region and holes into the P region, so provided that the voltage across the device is sufficient to overcome the junction voltage current will flow.When the PN junction is forward biased the diffusion current is much larger than the minority current which can be ignored.oVA forward biased diode looks like a short and areverse biased diode like an open circuit.6.071SemiconductorsIn the reverse biased case the junction becomes even more depleted of carriers and the important current is the minority carrier current (or reverse saturation current). This is small compared to the forward current in the forward biased case but for some applications it most be remembered.The minority carrier current is not influenced by the voltage across the junction and is simply a property of the material. For silicon this is low while for germanium it is about a micro-amp. This is the main reason that silicon is more common in diodes and transistors.6.071Semiconductors 15Rectifier and diodeV (volts)I(A)0.7VThe diffusion and drift currents both follow a Boltzmann’s law dependence. The drift current is independent of applied voltage, while the diffusion current depends on the applied voltage. As we saw, these are in opposite directions.I =I o (e eV /kT −1)e /kT ≈39V −1 at 300°K I =I o (e 39V −1)I =I d −I 0=Ke−e V o −V ()/kT−Ke−eV o /kTI d =diffusion current; I o =drift current,K =constant depending on the geometry e =electron charge (1.6 10-19C )V =applied voltage; V o junction voltage k = Boltzmann's constant (1.38 10-23J /°K )T = °KHere we provide a simple approximation for the current in a silicon diode. The important messages are:The IV curve is temperature dependent,The current has an exponential dependence on the voltage.diode characteristicsProperties:Si or Ge, determines the voltage drop across the diode and the driftcurrent.Maximum reverse voltage, PRV (peak reverse voltage) orPIV (peak inverse voltage).I F, maximum forward currentJunction capacitance, reverse recovery time.Capacitance depends on the size and geometry of the junction, thecapacitance can be thought of as in parallel with the junction.A large I F typically means a large junction capacitance: whathappens if you try to use this diode at high frequencies?6.071Semiconductors 16For every device there are defining characteristics that industry has found to be useful when describing them. Even for such a simple device as a diode there are many hundreds of types that have been specifically designed for:SwitchingRectifyingPowerHigh frequencyLow leakageTypically in choosing a diode you need to know the maximum ratings for voltage and current. In addition diodes have a significant capacitance and this must be included in high frequency designs.diode datasheet6.071Semiconductors 17A typical general purpose diode’s data sheet. This is from the Fairchild web site which is a convenient place to find data sheets.All data sheets start with showing the various versions of the device, then give the maximum ratings followed by specifications and perhaps test configurations.diode datasheet6.071Semiconductors 19characterizing a diodeIf too much current is sent through a diode it becomes the equivalent of a blown fuse. How do we test for this? Ohmmeter Gx1x100-probe +probeThe galvanometer is a current controlled electromagnet that torques a spring loaded needle.Why is there often a separatediode setting (in addition to the resistance setting)?forward resistance ~ a few ohms reverse resistance ~ megaohmsA problem to think about for the recitation section.If an ohm meter is sufficient to test for a diode’s function, why do many multi-meters have a separate setting for diodes?6.071Semiconductors V (volts)I(A)constant voltageconstant current25 °C 50°CIn constant current mode, dV/dT current volt meter6.071Semiconductors 21Is a junction a current source?A PN junction has a charge separation that looks like that of a capacitor. If you short this with a wire will a current flow? Or equivalently, is the junction voltage removed by a short?qVProblem to think about for the recitation.With the charge separation across the junction of a diode it looks like a charged capacitor. We saw that when shorted a charged capacitor provided a dramatic source of energy, does a diode? In other words, if you short a diode does current flow?.7V-.7V⇒Recall that diodes have an effective capacitance8pF ; tune out byL6.071Semiconductors inV out = V R EA simple voltage regulator.Real ZenerIdeal ZenerIVA 2 junction, 3 terminal (base, emitter, collector) device.Correctly biased the base emitter junction is forward biased and I eI b =I e (1+I c =6.071Semiconductors 26Junctions of diodes and BJTForward biased the PN junction of a diode has a large recombination rate and thus supports a large current.Forward biased in the BJT, the PN base to emitter junction has a low recombination rate (the base is thin and lightly doped), so the electron proceed to the collector where they are again the majority carrier.Bβ~1006.071Semiconductors 28Temperature dependence of BJTIV AtimeThe resulting collector (drain) current or voltage is then used to6.071Semiconductors 312N5459 JFETV AItime2N3904 BJT V ceI bI c I dVDS V gsProperties of Bipolar Transistorsβ(current gain) is not a parameter, it varies witheverything.I C,max-maximum collector current rating.BV CBO-maximum collector to base voltage.BV CEO-maximum collector to emitter voltage.V EBO-emitter to base breakdown voltage.P D-maximum collector power dissipation.6.071Semiconductors 32Datasheet of 2N2222 (1 of 3)6.071Semiconductors 34Datasheet of 2N2222 (2 of 3)Datasheet of 2N2222 (3 of 3)Voltage RegulatorV inV out= V zener-0.6 VREmitter follower configuration.Base current is only 1/βof supplycurrent.RC filter reduces ripple.V zenerCR load6.071Semiconductors 366.071Semiconductors 37Is a junction a current source? NoThe short looks like youbent the junction aroundto form a secondjunction. Each junctionhas its own depletionzone and thus there is avoltage differencebetween the two sides ofthe structure.qVqV。