《电路和电路元件》PPT课件

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1、第一章电路和电路元件上海大学自动化系2009.10§1.4电子器件§1.4.1半导体的导电特性§1.4.2杂质半导体§1.4.3PN结及其单向导电性第一章电路和电路元件§1.4.4半导体二极管§1.4.5双极型晶体管§1.4.6绝缘栅型场效应晶体管半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、耗电少等特点，是组成各种电子电路的核心器件，在当今的电子技术中占有主导地位。因此，了解半导体器件是学习电子技术的基础。§1.4电子器件引　言GaAs-AlGaAs谐振腔发光二极管Ge二极管Si二极管1.4.1半导体物理基础知识依照导电性能，可以把媒质分为导体、绝缘体和半导

2、体。导体有良好的导电能力，常见的有铜、铝等金属材料；绝缘体基本上不能导电，常见的有玻璃、陶瓷等材料；半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，常见的有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料。媒质半导体的导电能力会随温度、光照的变化或因掺入某些杂质而发生显著变化，这些特点决定了半导体在电子线路中的广泛用途。铜导线(左上)、玻璃绝缘体(左下)和硅晶体(上)§1.4电子器件1.4.1半导体物理基础知识-本征半导体一、本征半导体指纯单晶，理想化的。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。结构：GeSi§1.4电子器件A、纯

3、B、单晶只有一种元素，没有杂质的东西（材料）常用Si溶化后结晶，晶体的形状结构相同。特征：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子共价键：共价键就是相邻两个原子中的价电子为共用电子对而形成的相互作用力。§1.4电子器件硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。§1.4电子器件辐射方法加热本征半导体导

4、电性能比金属导体差很多。但它具有热敏、光敏的特性。如何导电？强能量的量子撞击共价键?光照是一般采用的方法。分子振动破坏结构电子掉下来，引起自由电子——空穴动画§1.4电子器件几个概念（1）本征激发：当本征半导体的温度升高或受到光照时，某些共价键中的价电子从外界获得能量而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子→→→空穴。这种现象称为本征激发。本征激发形成:电子-空穴对（2）自由电子：价电子获得外部能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子，带负电荷。（3）空穴：价电子成为自由电子后在共价键中留下的空位，带正电荷。（4）电子-

5、空穴对：本征激发形成电子-空穴对。§1.4电子器件（5）漂移电流：自由电子在电场作用下定向运动形成的电流称为漂移电流。（6）空穴电流：空穴在电场作用下定向运动形成的电流称为空穴电流。因为相对于电子电流，价电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在与价电子运动相反的方向运动，因而空穴相对来说带正电荷，故其运动形成空穴电流。（7）复合：自由电子在热运动过程中和空穴相遇而释放能量，造成电子-空穴对消失，这一过程称为复合。§1.4电子器件结论一般来说：本征半导体，在热力学温度T=0k（开尔文）和没有外界影响如：光照、加热、外加电场等的条件下，其价电子均被束缚在共价键

6、中，不存在自由运动的电子，所以不带电。§1.4电子器件在半导体中存在两种载流子（运动电荷的载体）即：自由电子→→带负电；空穴→→带正电。在电场作用下，电子的运动将形成电子电流，而空穴的运动则形成空穴电流，在同一电场作用下，两种载流子的运动方向相反，是因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的。电子电流与空穴电流的总和即半导体中的电流。当本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能随温度升高而迅速增大，这一点在今后的学习中非常重要。注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很小的百分数，比如：硅的

7、原子密度为4.96×1022cm-3因此，nisi仅为它的三万亿分之一，可见本征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率约为2.2×105Ωcm）。杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(磷、砷、锑)等，每个杂质原子(施主原子)提供一个自由电子，从而大量增加自由电子数量。P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(硼、铝、铟)等，每个杂质原子(受主原子)提供一个空穴，从而大量增加空穴数量。N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，为多数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)。P型半导体中空穴浓度远大于自由

8、电子浓度，为多数载流子(多子)，自由电子为少数载流子(少子)。+4