半导体的基本知识

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1、1.1半导体的基本知识1.6*集成电路中的元件1.2半导体二极管1.5*单结晶体管和晶闸管内容简介习题解答1.3双极性晶体管1.4场效应管半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识，讨论半导体的核心环节—PN结，阐述了半导体二极管、双极性晶体管（BJT）和场效应管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路和分析方法。对晶闸管和集成电路中的元件也进行了简要介绍。内容简介1.半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体：ρ<

2、10－4Ω·cm绝缘体：ρ>109Ω·cm半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。2.半导体的晶体结构典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。1.1半导体的基本知识3.本征半导体本征半导体：化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。HomeNextBack本

3、征激发(热激发）:受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）（见图1.1.2）。电子空穴对：由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。所以，在本征半导体中：ni=pi（ni－自由电子的浓度；pi－空穴的浓度）。空穴：共价键中的空位。K1—常数，硅为3.8710-6K-3/2/cm3，锗为1.7610-6K-3/2/cm3；T—热力学温度；EGO—禁带宽度，硅为1.21eV，

4、锗为0.785eV；k—波耳兹曼常数，8.6310-5eV/K。（e—单位电荷，eV=J）载流子：能够参与导电的带电粒子。空白半导体中载流子的移动：如图1.1.3所示。从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，在半导体中具有两种载流子：自由电子和空穴。（1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的值一定；（2）ni与pi的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni或pi

5、增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12oC，ni或pi增加一倍。4.杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。：在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。P型半导体受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。多子与少子：P型半导体在产生空

6、穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子；而自由电子为少数载流子，简称少子。：既然P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，所以，P型半导体带正电。此说法正确吗？思考题：在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。N型半导体施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。

7、在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。掺杂对本征半导体的导电性的影响，其典型数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:ni=pi=1.4×1010/cm3掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:ni=5×1016/cm3本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

8、。HomeNextBack小结本讲主要介绍了下列半导体的基本概念：本征半导体本征激发、空穴、载流子杂质半导体P型半导体和N型半导体受主杂质、施主杂质、多子、少子二.PN结的单向导电性正偏与反偏：当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。一.PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如图1.1.6所示。5.PN结PN结加正向电压PN结加