半导体基础知识学习
半导体基础知识
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压,耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽,导电沟道宽度减小, 使沟道本身的电阻值增大, 漏极电流 ID 减小,反之, 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求:
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米,而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件:外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压,反 向电流很小; 当电压超过零点几伏后, 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大,即饱和;
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
半导体基础知识
第一章、半导体器件
1、为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,改善导电性能?
制成本征半导体是为了讲自然界中的半导体材料进行提纯,然后人工掺杂,通过控制掺杂的浓度就可以控制半导体的导电性,以达到人们的需求
2、为什么半导体器件的温度稳定性差?是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素?
导致半导体性能温度稳定性差的主要原因有二:β
(1)禁带宽度与温度有关(一般,随着温度的升高而变窄);(2)少数载流子浓度与温度有关(随着温度的升高而指数式增加)。
多子。
3、为什么半导体器件有最高工作频率?
这是因为半导体器件的主要组成单元是PN结,PN结的显著特征是单向导电性,因为PN结的反向截止区是由耗尽层变宽导致截止,而这个过程是需要一定的时间的,如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成PN结失去单向导电性,导致半导体器件不能正常工作,所以半导体器件有最高工作频率的限制。
4、整流,是指将交流电变换为直流电称为AC/DC变换,这正变换的功率流向是由电源传向负载,称之为整流。
5、为什么基极开路集电极回路会有穿透电流?
虽然集电结是反偏的,虽然基极是开路的,但是,晶体管芯,是块半导体材料。
半导体材料,又不是绝缘体,加上电压,就有微弱的电流,这很正常。
从集电区向基区出现的“反向饱和电流Icbo”,在基极没有出路,就流向发射极了。
这一流动,就形成了一个Ib。
这个Ib,就引出了一个贝塔倍的Ic; 这个Ib和Ic之和,就是穿透电流Iceo,等于(1+贝塔)Icbo。
6、
展开。
半导体基础知识
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动使本征半导体中又形成一种 不同于本征激发下的电荷迁移,为区别于本征激发下自由电子的运动,我们把价电 子填补空穴的复合运动称为空穴运动。
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+4
+4
+4
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+4
+4
汽车电工电子技术
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半导体基础知识
主要内容:
本征激发、PN结的形成 PN结的单向导电性
重点难点:
本征激发、PN结的形成
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1、物质的分类
在自然界中,物体按其导电能力划分为导体、绝缘 体和半导体。 导 体:如铜、铝 绝缘体:如橡胶、瓷器 半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间。
如硅、锗等
多余自 由电子
自由电子数目大大增加,这种半导体主要以自由电子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电为主,故N型 半导体被称为电子半导体。
在N型半导体中,自由电子是多数载流子,而空穴则是少数载流子
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3、杂质半导体
2. P型半导体 在硅晶体中掺入少量硼。每个硼原子只有三个价
电子,在构成共价键时,缺少一个电子而产生一个 空位(空穴),当相邻原子中的价电子受激发时,就有 可能填补这个空穴,而在该相邻原子中出现一个空 穴,每个硼原子能提供一个空穴,于是在半导体中 就出现了大量空穴。
+4
+4
半导体的导电机理与金属导体导电机理的本质区别: 金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电;而半导体中则是 本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与 导电。
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3、杂质半导体
1. N型半导体
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符号
1
+ W78XX +
2
_
3
_
W79XX
1 2
3
1.6.3 W78XX、W79XX系列 集成稳压器的使用方法
一、 组成输出固定电压的稳压电路
1. W78XX系列
+
1
W78XX
Co
2
+
Uo = 12V
改善负载 的暂态响 应,消除 高频噪声
注意 3 Ui 输入 Ci 电压 极性 抵消输入 长接线的 电感效, 防止自激 Ci : 0.1~1F
IR + +
R UR
IL
IZ RL
2、引起电压不 稳定的原因
UI
电源电压的波动 负载电流的变化
DZ
稳压二极管
+ UL
将微小的电压变化转 换成较大的电流变化
三端稳压器封装及电路符号
封装
塑料封装
金属封装
79LXX
W7805 1 3 2
W7905 1 3 2
78LXX
1
2
3
UI GND UO GND UI UO
空穴
负离子
电子
正离子
一、载流子的浓度差引 N型材料 起多子的扩散扩散使 交界面处形成空间电 荷区(也称耗尽层)
内电场方向
二、空间电荷区特点
基本无无载流子,仅 有不能移动的离子
三、扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流= 漂移电流 总电流=0 利于少子的漂移
形成内电场
阻止多子扩散进行
1.2.2 PN结的单向导电性
外界条件决定半导体内部 载流子数量
三、本征半导体: 纯净的半导体
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容易导电的物质叫导体,如:金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体,如:橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如:硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半 导体大体上可以分为两类,即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体,这里的纯净包括两个意思, 一是指半导体材料中只含有一种元素的原子;二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导 电能力极弱,且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素(称杂质) 所形成的半导体。杂质半导体有两类:N 型半导体和 P 型半导体。
多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体,在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同,其周期性与规则性也在此 处受到破坏。
7.常用半导体材料的晶体生长方向有几种?
我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的,因此单晶表现出各向异性。单晶生长的这种方向直接来自晶 格结构,常用半导体材料的晶体生长方向是<111>和<100>。
29.半导体芯片制造对厂房洁净度有什么要求?
空气中的一个小尘埃将影响整个芯片的完整性、成品率,并影响其电学性能和可*性,所以半导体芯片制造工艺需 在超净厂房内进行。1977 年 5 月,原四机部颁布的《电子工业洁净度等级试行规定》如下:
电子工业洁净度等级试行规定
洁净室等 洁净度 温度(℃) 相对湿度 正压值 噪声
电阻率 ρ=1/σ,单位为 Ω*cm
9.PN 结是如何形成的?它具有什么特性?
如果用工艺的方法,把一边是 N 型半导体另一边是 P 型半导体结合在一起,这时 N 型半导体中的多数载流子电子 就要向 P 型半导体一边渗透扩散。结果是 N 型区域中邻近 P 型区一边的薄层 A 中有一部分电子扩散到 P 型区域中去了, 如图 2-6 所示(图略)。薄层 A 中因失去了这一部分电子 而带有正电。同样,P 型区域中邻近 N 型区域一边的薄层 B 中有一部分空穴扩散到 N 型区域一边去了,如图 2-7 所示(图略)。结果使薄层 B 带有负电。这样就在 N 型和 P 型两 种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层 A 和 B(其中 A 带正电,B 带负电)。A、B 间便产生了一个电场, 这个带电的薄层 A 和 B,叫做 PN 结,又叫做阻挡层。
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现代电子学中,用的最多的半导 体是硅和锗,它们的最外层电子 (价电子)都是四个。
Ge
Si
电子器件所用的半导体具有晶体结构,因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1)热敏性 与温度有关。温度升高,导电能力增强。 2)光敏性 与光照强弱有关。光照强,导电能力增强 3)掺杂性 加入适当杂质,导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大,用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小,用 于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1)按材料分:硅管和锗管 2)按结构分:点接触和面接触 3)按用途分:检波、整流…… 4)按频率分:高频和低频
---- - - ---- - - ---- - - ---- - -
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2)内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反- - - - - - 运动最终达到 衡,相当于两- - - - - - 区之间没有电- - - - - - 运动,空间电 区的厚度固定- - - - - - 变。
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 为自由电子,同时共价键上留下一个空位, 称为空穴。
半导体基础知识
一.名词解释:1..什么是半导体?半导体具有那些特性?导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体热敏性:导电能力受温度影响大,当环境温度升高时,其导电能力增强。
可制作热敏元件。
光敏性:导电能力受光照影响大,当光照增强时候,导电能力增强。
可制作光敏元件。
掺杂性:导电能力受杂质影响极大,称为掺杂性。
2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。
Si是一种化学元素,在地壳中含量仅次于氧,其核外电子排布是?。
3.半导体材料中有两种载流子,电子和空穴。
电子带负电,空穴带正电,在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体,常见P型半导体的掺杂元素为硼,N型半导体的掺杂元素为磷。
P型半导体主要空穴导电,N型半导体主要靠电子导电。
4. 导体:导电性能良好,其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流,常见的导体有铁,铝,铜等低价金属元素。
5.绝缘体:一般情况下不导电,其原子的最外层电子受原子核束缚很强,只有当外电场达到一定程度才可导电。
惰性气体,橡胶等。
6.半导体:一般情况下不导电,但在外界因素刺激下可以导电,例如强电场或强光照射。
其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。
Si,Ge等四价元素。
7. 本征半导体:无杂质的具有稳定结构的半导体。
8晶体:由完全相同的原子,分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料,构成晶体的完全相同的原子,分子,原子团称为基元。
9.晶体结构:简单立方,体心立方,面心立方,六角密积,NACL结构,CSCL结构,金刚石结构。
10.七大晶系:三斜,单斜,正交,四角,六角,三角,立方。
11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式:SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2OSI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H212.自然界的物质,可分为晶体和非晶体两大类。
常见的晶体有硅,锗,铜,铅等。
常见的非晶体有玻璃,塑料,松香等。
晶体和非晶体可以从三个方面来区分:1.晶体有规则的外形 2.晶体具有一定的熔点 3.晶体各向异性。
半导体基础知识
半导体基础知识(详细篇)2.1.1 概念根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。
1. 导体:容易导电的物体。
如:铁、铜等2. 绝缘体:几乎不导电的物体。
如:橡胶等3. 半导体:半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。
在一定条件下可导电。
半导体的电阻率为10-3~109 Ω·cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体特点:1) 在外界能源的作用下,导电性能显著变化。
光敏元件、热敏元件属于此类。
2) 在纯净半导体内掺入杂质,导电性能显著增加。
二极管、三极管属于此类。
2.1.2 本征半导体1.本征半导体——化学成分纯净的半导体。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为“九个9”。
它在物理结构上呈单晶体形态。
电子技术中用的最多的是硅和锗。
硅和锗都是4价元素,它们的外层电子都是4个。
其简化原子结构模型如下图:外层电子受原子核的束缚力最小,成为价电子。
物质的性质是由价电子决定的。
外层电子受原子核的束缚力最小,成为价电子。
物质的性质是由价电子决定的。
2.本征半导体的共价键结构本征晶体中各原子之间靠得很近,使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引,分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。
共价键中的价电子为这些原子所共有,并为它们所束缚,在空间形成排列有序的晶体。
如下图所示:硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图3.共价键共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的,这两个电子被成为束缚电子。
束缚电子同时受两个原子的约束,如果没有足够的能量,不易脱离轨道。
因此,在绝对温度T=0°K(-273°C)时,由于共价键中的电子被束缚着,本征半导体中没有自由电子,不导电。
只有在激发下,本征半导体才能导电4.电子与空穴当导体处于热力学温度0°K时,导体中没有自由电子。
当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。
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半导体基础知识 Prepared on 24 November 2020一.名词解释:1..什么是半导体半导体具有那些特性导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体热敏性:导电能力受温度影响大,当环境温度升高时,其导电能力增强。
可制作热敏元件。
光敏性:导电能力受光照影响大,当光照增强时候,导电能力增强。
可制作光敏元件。
掺杂性:导电能力受杂质影响极大,称为掺杂性。
2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。
Si是一种化学元素,在地壳中含量仅次于氧,其核外电子排布是。
3.半导体材料中有两种载流子,电子和空穴。
电子带负电,空穴带正电,在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体,常见P型半导体的掺杂元素为硼,N型半导体的掺杂元素为磷。
P型半导体主要空穴导电, N型半导体主要靠电子导电。
4. 导体:导电性能良好,其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流,常见的导体有铁,铝,铜等低价金属元素。
5.绝缘体:一般情况下不导电,其原子的最外层电子受原子核束缚很强,只有当外电场达到一定程度才可导电。
惰性气体,橡胶等。
6.半导体:一般情况下不导电,但在外界因素刺激下可以导电,例如强电场或强光照射。
其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。
Si,Ge等四价元素。
7. 本征半导体:无杂质的具有稳定结构的半导体。
8晶体:由完全相同的原子,分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料,构成晶体的完全相同的原子,分子,原子团称为基元。
9.晶体结构:简单立方,体心立方,面心立方,六角密积, NACL结构,CSCL结构,金刚石结构。
10.七大晶系:三斜,单斜,正交,四角,六角,三角,立方。
11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式:SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2OSI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H212.自然界的物质,可分为晶体和非晶体两大类。
(完整word版)半导体基础知识
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义:纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程:自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构:最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子。
绝缘体导电性:极差。
如惰性气体和橡胶.半导体原子结构:半导体材料为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧.半导体导电性能:介于半导体与绝缘体之间.半导体的特点:★在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化.晶格:晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。
共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,构成共价键。
自由电子的形成:在常温下,少数的价电子由于热运动获得足够的能量,挣脱共价键的束缚变成为自由电子.空穴:价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流:在外加电场的作用下,自由电子产生定向移动,形成电子电流。
空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动),形成空穴电流。
本征半导体的电流:电子电流+空穴电流.自由电子和空穴所带电荷极性不同,它们运动方向相反。
载流子:运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点:导体导电只有一种载流子,即自由电子导电。
本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发:半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发.复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。
动态平衡:在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系:温度一定,本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体基础知识详细
半导体基础知识详细半导体是一种电子特性介于导体和绝缘体之间的材料。
它的电阻率介于导体和绝缘体之间,而且在外界条件下可以通过控制电场、光照、温度等因素来改变其电子特性。
半导体材料广泛应用于电子器件、太阳能电池、光电器件、传感器等领域。
1. 半导体的基本概念半导体是指在温度为绝对零度时,其电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。
在室温下,半导体的电阻率通常在10^-3到10^8Ω·cm之间。
半导体的导电性质可以通过控制材料中的杂质浓度来改变,这种过程称为掺杂。
2. 半导体的晶体结构半导体的晶体结构分为两种:共价键晶体和离子键晶体。
共价键晶体是由原子间共享电子形成的晶体,如硅、锗等。
共价键晶体的晶格结构稳定,电子在晶格中移动时需要克服较大的势垒,因此其导电性较差。
离子键晶体是由正负离子间的静电作用形成的晶体,如氯化钠、氧化镁等。
离子键晶体的晶格结构较稳定,电子在晶格中移动时需要克服较小的势垒,因此其导电性较好。
3. 半导体的能带结构半导体的能带结构是指半导体中电子能量的分布情况。
半导体的能带结构分为价带和导带两部分。
价带是指半导体中最高的能量带,其中填满了价电子。
导带是指半导体中次高的能量带,其中没有或只有很少的电子。
当半导体中的电子受到外界激发时,可以从价带跃迁到导带,形成电子空穴对。
4. 半导体的掺杂半导体的掺杂是指向半导体中加入少量的杂质原子,以改变其电子特性。
掺杂分为n型和p 型两种。
n型半导体是指向半导体中掺入少量的五价杂质原子,如磷、砷等。
这些杂质原子会向半导体中释放一个电子,形成自由电子,从而提高半导体的导电性能。
p型半导体是指向半导体中掺入少量的三价杂质原子,如硼、铝等。
这些杂质原子会从半导体中吸收一个电子,形成空穴,从而提高半导体的导电性能。
5. 半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的电子器件,包括二极管、晶体管、场效应管、集成电路等。
二极管是一种由n型半导体和p型半导体组成的器件,具有单向导电性。
半导体物理基础学习知识
半导体物理基础知识一、半导体导电特点电子线路中的要点器件如二极管、三极管、场效应管、集成电路等都是由半导体资料制成的,要解析上述器件的工作原理,必定对半导体资料的导电特点应有所认识。
1、什么是半导体物质如按导电性能分可分为(1)导体:电阻率ρ很小;(2)绝缘体:电阻率ρ很大;(3)半导体:电阻率ρ不大不小, 10-3~109Ω ?cm 。
常有的有:硅( Si)、锗( Ge)、砷化镓( GaAs)等。
2、半导体独到的导电特点(1)受温度( T )的影响大; T ↑→ ρ ↓,热牢固性差,但也可做热敏元件(2)受光照的影响大;(3)混淆对导电性能影响大。
例:室温,纯净的硅,ρ = 2*103Ω?cm ,如掺百万分之一(10-6)的磷( P),纯度还有99.9999%(6 个 9),则ρ = 4*10 -3Ω ?cm 。
二、本征半导体1、什么是本征半导体:纯净的(9 个 9 以上 ) ,晶格整齐无弊端的单晶半导体。
2、本征半导体晶格结构(1)半导体原子结构+4惯性核价电子(2)晶格结构p3 图 1-1-2每个价电子与相邻原子的价电子组成共价键。
经过共价键使所有的原子结合成一个晶体。
+4+4+4价电子共+4+4+4价键+4+4+43、本征激发(1)当 T=0K (绝对零度)时,所有价电子都拘束在共价键中,不能够成为自由电子,晶体相当绝缘体。
(2)当 T>0K 或光照时,部分价电子获得额外能量,摆脱共价键拘束变为自由电子,并在共价键中留下一个缺少负电荷的空位(空穴)。
这过程就叫本征激发。
+4+4+4自由空穴电子+4+4+4+4+4+4(a)本征激发时,自由电子和空穴是成对出现,叫自由电子空穴对;(b)空穴是带正电的,由于原子是电中性的;(c)空穴能够运动:周边共价键中的价电子填补空穴。
(d)温度越高,产生的自由电子空穴对就越多。
4、载流子:能够运动的带电粒子。
半导体中自由电子和空穴都是载流子。
5、复合:自由电子填补空穴。
【精品】半导体基础知识入门学习
+4
+4
+4
空穴
+4 +4 +4
晶体共价键结构平面示意图 图1.1.3 本征半导体中的自由电子和空穴
• 半导体由于热激发而不断产生电子空穴对,那么,电子空穴
对是否会越来越多,电子和空穴浓度是否会越来越大呢? 复合: 自由电子和空穴相遇
温度T一定,
+4 +4 +4
ni(自由电子浓度)=pi(空穴浓度) T↑→ ni↑ =pi↑
3 PN结V- I 特性(伏安特性)表达式
门坎电压(死区电压Vth):导通、 未导通的分界; 导通条件:V> Vth;(与材料 有关,Si :0.5V,Ge:0.1V) 导通后特征(Si):0.6~0.8V,约 0.7V左右(具体由实测或计算机 仿真);
截止条件: V< Vth; (对内电场 克服不够) 截止后特征:电流几乎为0。
考虑外加电压于PN结上,根据外加电压的极性有两种情况 1. PN结加正向偏置电压(正偏): P 区接电源正极
外加电压使内电场减小 以致 • 阻挡层变窄 • 多子形成的扩散电流 增加 • 漂移电流减小
从电源正极有流入P 区 的正向电流
PN结加正向电压时的导电情况
2 PN结加反向偏置电压(反偏): N 区接电源正极 外加电压使内电场增加以 致 • 阻挡层加宽 • 扩散电流进一步减小趋 于零 • 少子形成的漂移电流居 支配地位 从电源正极有流入N 区的 很小的反向电流
杂质半导体的示意表示法:
- - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N (电子)型半导体
半导体基础知识
外延基础知识一、基本概念同质结:组成PN结的P型区和N型区是同种材料。
(如红黄光中的:GaAs上生长GaAs,蓝绿光中:U(undope)-GaN上生长N(dope)- GaN)异质结:两种晶体结构相同,晶格常数相近,但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结,称为异质结。
(如蓝绿光中:GaN上生长Al GaN)超晶格(superlatic):由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层(相邻势阱内电子波函数发生交迭)的材料,交替生长形成的人工周期性结构,称为超晶格材料。
量子阱(QW):通常把势垒较厚,以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构,称为量子阱(它是超晶格的一种)。
二、半导体固体按其导电性分为导体、半导体、绝缘体。
对于被电子部分占满的能带,在外电场作用下,点子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去,形成了电流,起导电作用,常称这种能带为导带。
绝缘体、半导体和导体的能带示意图禁带(a)绝缘体(b)半导体(c)导体1.分类:元素半导体:Si 、Ge化合物半导体:GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ)、SiC2.化合物半导体优点:a.调节材料组分易形成直接带隙材料,有高的光电转换效率。
(光电器件一般选用直接带隙材料)b.高电子迁移率。
c.可制成异质结,进行能带裁减,易形成新器件。
3.半导体杂质和缺陷杂质:替位式杂质(有效掺杂)间隙式杂质缺陷:点缺陷:如空位、间隙原子线缺陷:如位错面缺陷:(即立方密积结构里夹杂着少量六角密积)如层错4.外延技术LPE:液相外延,生长速率快,产量大,但晶体生长难以精确控制。
(普亮LED常用此生长方法)MOCVD(也称MOVPE):Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长,重复性好,产量大,适合工业化大生产。
HVPE:氢化物汽相外延,是近几年在MOCVD基础上发展起来的,适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术。
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我们知道,电子电路是由晶体管组成,而晶体管是由半导体制成的。
所以我们在学习电子电路之前,
一定要了解半导体的一些基本知识。
这一章我们主要学习二极管和三极管的一些基本知识,它是本课程的基础,我们要掌握好在学习时我们把它的内容分为三节,它们分别是:
1、1 半导体的基础知识
1、2 PN结
1、3 半导体三极管
1、1 半导体的基础知识
我们这一章要了解的概念有:本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。
一:本征半导体
纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。
常用的半导体材料有:硅和锗。
它们都是四价元素,原子结构的最外层轨道上有四个价电子,当把硅或锗制成晶体时,它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。
共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量,从而摆脱共价键的约束成为自由电子,同时在共价键上留下空位,我们称这些空位为空穴,它带正电。
我们用晶体结构示意图来描述一下;如图(1)所示:图中的虚线代表共价键。
在外电场作用下,自由电子产生定向移动,形成电子电流;
同时价电子也按一定的方向一次填补空穴,从而使空穴产生定向移动,形成空穴电流。
因此,在晶体中存在两种载流子,即带负电自由电子和带正电空穴,它们是成对出现的。
二:杂质半导体
在本征半导体中两种载流子的浓度很低,因此导电性很差。
我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性,这种半导体被称为杂质半导体。
1.N型半导体
在本征半导体中,掺入5价元素,使晶体中某些原子被杂质原子所代替,因为杂质原子最外层有5各价电子,它与周围原子形成共价键后,还多余一个自由电子,因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。
但是,电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数,与掺杂无关。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。
2.P型半导体
在本征半导体中,掺入3价元素,晶体中的某些原子被杂质原子代替,但是杂质原子的最外层只有3个价电子,它与周围的原子形成共价键后,还多余一个空穴,因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。
在P型半导体中,自由电子是少数载流子,空穴使多数载流子。
1、2 P—N结
e
i n g
a r
e 我们通过现代工艺,把一块本征半导体的一边形成P 型半导体,另一边形成N 型半导体,于是这两种半导体的交界处就形成了P—N
结,它是构成其它半导体的基础,我们要掌握好它的特性!
一:异形半导体接触现象
在形成的P—N
结中,由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大,因此它们会产生扩散运动:
电子从N 区向P 区扩散;空穴从P 去向N 区扩散。
因为它们都是带电粒子,它们向另一侧扩散的同时在N 区留下了带正电的空穴,在P 区留下了带负电的杂质离子,这样就形成了空间电荷区,也就是形成了电场(自建场).它们的形成过程如图(1),(2)所示
在电场的作用下,载流子将作漂移运动,它的运动方向与扩散运动的方向相反,阻止扩散运动。
电场的强弱与扩散的程度有关,扩散的越多,电场越强,同时对扩散运动的阻力也越大,
当扩散运动与漂移运动相等时,通过界面的载流子为0。
此时,PN 结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区,我们又把它称为阻挡层或耗尽层。
二:PN 结的单向导电性 我们在PN 结两端加不同方向的电压,可以破坏它原来的平衡,从而使它呈现出单向导电性。
1.PN 结外加正向电压
PN 结外加正向电压的接法是P 区接电源的正极,N 区接电源的负极。
这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反,从而使阻挡层变窄,扩散作用大于漂移作用,多数载流子向对方区域扩散形成正向电流,方向是从P 区指向N 区。
如图(1)所示
这时的PN 结处于导通状态,它所呈现的电阻为正向电阻,正向电压越大,电流也越大。
它的关系是指数关系:
其中:ID为流过PN结的电流,U为PN结两端的电压,
UT=kT/q称为温度电压当量,其中,k为波尔兹曼常数,T为绝对温度,q为电子电量,在室温下(300K)时UT=26mv,IS为反向饱和电流。
这个公式我们要掌握好!
2.PN结外加反向电压
它的接法与正向相反,即P区接电源的负极,N区接电源的正极。
此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同,从而使阻挡层变宽,漂移作用大于扩散作用,少数载流子在电场的作用下,形成漂
移电流,它的方向与正向电压的方向相反,所以又称为反向电流。
因反向电流是少数载流子形成,故反向电流很小,即使反向电压再增加,少数载流子也不会增加,反向电压也不会增加,因此它又被称为反向饱和电流。
即:
ID=-IS
此时,PN结处于截止状态,呈现的电阻为反向电阻,而且阻值很高。
由以上我们可以看出:PN结在正向电压作用下,处于导通状态,在反向电压的作用下,处于截止状态,因此PN结具有单向导电性。
它的电流和电压的关系通式为:
它被称为伏安特性方程,如图(3)所示为伏安特性曲线。
三:PN结的击穿
PN结处于反向偏置时,在一定的电压范围内,流过PN结的电流很小,但电压超过某一数值时,反向电流急剧增加,这种现象我们就称为反向击穿。
击穿形式分为两种:雪崩击穿和齐纳击穿。
对于硅材料的PN结来说,击穿电压〉7v时为雪崩击穿,<4v时为齐纳击穿。
在4v与7v之间,两种击穿都有。
这种现象破坏了PN结的单向导电性,我们在使用时要避免。
击穿并不意味着PN结烧坏。
四:PN结的电容效应
由于电压的变化将引起电荷的变化,从而出现电容效应,PN结内部有电荷的变化,因此它具有电容效应,它的电容效应有两种:势垒电容和扩散电容。
势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。
扩散电容是PN结在正向电压的作用下,多数载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。
PN结正偏时,扩散电容起主要作用,PN结反偏时,势垒电容起主要作用。
五:半导体二极管
半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。
它的类型很多。
按制造材料分:硅二极管和锗二极管。
按管子的结构来分有:点接触型二极管和面接触型二极管。
二极管的逻辑逻辑符号为:
1.二极管的特性
正向特性
当正向电压低于某一数值时,正向电流很小,只有当正向电压高于某一值时,二极管才有明显的正向电流,这个电压被称为导通电压,我们又称它为门限电压或死区电压,一般用UON表示,在室温下,硅管的UON约为0.6----0.8V,锗管的UON约为0.1--0.3v,我们一般认为当正向电压大于UON时,二极管才导通。
否则截止。
反向特性
二极管的反向电压一定时,反向电流很小,而且变化不大(反向饱和电流),但反向电压大于某一数值时,反向电流急剧变大,产生击穿。
温度特性
二极管对温度很敏感,在室温附近,温度每升高1度,正向压将减小2--2.5mV,温度每升高
10度,反向电流约增加一倍。
2.二极管的主要参数
我们描述器件特性的物理量,称为器件的特性。
二极管的特性有:
最大整流电流IF 它是二极管允许通过的最大正向平均电流。
最大反向工作电压UR 它是二极管允许的最大工作电压,我们一般取击穿电压的一般作UR 反向电流IR 二极管未击穿时的电流,它越小,二极管的单向导电性越好。
最高工作频率fM 它的值取决于PN结结电容的大小,电容越大,频率约高。
二极管的直流电阻RD 加在管子两端的直流电压与直流电流之比,我们就称为直流电阻,它可表示为:RD=UF/IF 它是非线性的,正反向阻值相差越大,二极管的性能越好。
二极管的交流电阻rd 在二极管工作点附近电压的微变化与相应的微变化电流值之比,就称为该点的交流电阻。
六:稳压二极管
稳压二极管是利用二极管的击穿特性。
它是因为二极管工作在反向击穿区,反向电流变化很大的情况下,反向电压变化则很小,从而表现出很好的稳压特性。
七:二极管的应用
我们运用二极管主要是利用它的单向导电性。
它导通时,我们可用短线来代替它,它截止时,我们可认为它断路。
1.限幅电路
当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压也随着输入电压相应的变化;当输入电压高于某一个数值时,输出电压保持不变,这就是限幅电路。
我们把开始不变的电压称为限幅电平。
它分为上限幅和下限幅。
例1.试分析图(1)所示的限幅电路,输入电压的波形为图(2),画出它的限幅电路的波形
(1) E=0时限幅电平为0v。
ui>0时二极管导通,uo=0,ui<0时,二极管截止,uo=ui,它的波形图为:如图(3)所示
(2) 当0<E<UM时,限幅电平为+E。
ui<+E时,二极管截止,uo=ui;ui>+E时,二极管导通, uo=E,它的波
形图为:如图(4)所示
(3)当-UM<E<0时,限幅电平为负数,它的波形图为:如图(5)所示
二:二极管门电路
二极管组成的门电路,可实现逻辑运算。
如图(6)所示的电路,只要有一条电路输入为低电平时,输出即为低电平,仅当全部输入为高电平时,输出才为高电平。
实现逻辑"与"运算.。