《半导体的基本知识》PPT课件.ppt
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1、第二讲 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结,根据导电能力把物质分类:,导体:自然界中很容易导电的物质称为导体。,绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体。,半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体。,1.1 半导体基础知识,导体铁、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。,绝缘体惰性气体、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导电。,半导体硅(Si)、锗(Ge),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。,1.1 半导体基础知识,半导体
2、的导电能力介于导体和绝缘体之间。其机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:,当受外界热和光的作用时,它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使 它的导电能力明显改变。,1.1 半导体基础知识,#!惯性核的正电荷量与电子的负电荷量相等,原子呈中性。通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。,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。,1.1.1 本征半导体,原子结构简化图:惯性核:原子核和内层电子外层价电子:最外层电子,1.1 半导体基础知识,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,无杂质,稳定的结构,在硅和锗晶体中,原子按四角
3、形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。,1.1.1 本征半导体,1、本征半导体的结构,由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。,共价键,一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。,1.1.1 本征半导体,本征激发:半导体中共价键分裂产生电子、空穴对的过程。原因:加热、光或其它射线照射。,载流子的复合:自由电子在运动过程
4、中能量减少,有可能填补空穴恢复共价键,该过程称为。激发 复合,1.1.1 本征半导体,外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数目很少,故导电性很差。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。,2、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,1.1.1 本征半导体,本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。,载流子的浓度随温度升高按指数关系增加,导电能力增强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。,3.本征半导体的性质:1.T=0K时,载流子的浓度为0。2.本征半导体的导电
5、能力取决于载流子的 浓度。3.导电能力差,并对温度很敏感.,1.1.1 本征半导体,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?,在本征半导体中通过扩散工艺,掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电能力大为提高,掺入三价元素如B、Al等,形成P型半导体,也称空穴型半导体,掺入五价元素如P、As(砷)等,形成N型半导体,也称电子型半导体,1.1 半导体基础知识,磷(P),杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。,
6、多数载流子,N 型半导体中的载流子是什么?,1.1.2 杂质半导体,1.N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样杂质原子就成了不能移动的带正电的离子。每个杂质原子给出一个电子,称为施主原子。,N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为电子半导体。掺入元素:五价元素(磷、砷、锑ti),1.1.2 杂质半导体,N 型半导体中的载流子是什么?,1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。,2.本征激发成对
7、产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。,#正离子不能自由运动,不能自由运动参加导电,不是载流子。,1.1.2 杂质半导体,2.P型半导体,硼(B),多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强。,在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相同吗?,1.1.2 杂质半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形成共价键
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