数字电路与逻辑设计第2讲附ppt课件.ppt

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1、第二讲逻辑门电路－附一、半导体的基本知识1、半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为4。++SiGe2、半导体材料的特性纯净半导体的导电能力很差；温度升高——导电能力增强；光照增强——导电能力增强；掺入少量杂质——导电能力增强。3、本征半导体经过高度提纯（99.99999%）的单一晶格结构的硅或锗原子构成的晶体，或者说，完全纯净、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体的特点是：原子核最外层的价电子是四个，是四价元素

2、，它们排列成非常整齐的晶格结构。所以半导体又称为晶体。4、本征半导体的导电性能4.1价电子与共价键在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻的原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。共价键硅原子共价键价电子价电子受到激发，形成自由电子并留下空穴。半导体中的自由电子和空穴都能参与导电——半导体具有两种载流子。这是与金属导体的一个很大的区别，金属导体只有电子一种载流子。自由电子和空穴同时产生空穴4.2自由电子与

3、空穴在价电子成为自由电子的同时，在它原来的位置上就出现一个空位，称为空穴。空穴表示该位置缺少一个电子，丢失电子的原子显正电，称为正离子。自由电子又可以回到空穴的位置上，使离子恢复中性，这个过程叫复合。硅原子共价键价电子产生与复合4.3空穴流与电子流在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴，它也可以由相邻原子中的价电子来递补，而在该原子中又出现一个空穴。如此继续下去，就好像空穴在移动，空穴的运动形成了空穴流，其方向与电流方向相同。打一

4、个通俗的比方，好比大家坐在剧院看节目，若一个座位的人走了，出现一个空位，邻近座位的人去递补这个空位并依次递补下去，看起来就像空位子在运动一样。而原子中自由电子的运动，则好像剧院中没有位置的人到处找位置的运动一样。因此，空穴流和电子流是有所不同的。在金属导体中只有电子这种载流子，而半导体中存在空穴和电子两种载流子，在外界电场的作用下能产生空穴流和电子流，它们的极性相反且运动方向相反，所以，产生的电流方向是一致的，总电流为空穴流和电子流之和。这个是半导体导电的极重要的一种特性。空穴价电子5、杂质半导体本征半导体虽然有自由电子

5、和空穴两种载流子，但由于数目极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)，这将使掺杂后的半导体(杂质半导体)的导电性能大大增强。N型半导体P型半导体N型半导体在硅或锗晶体中掺入磷（或其它五价元素）。每个磷原子有5个价电子故在构成共价键结构时将因增加一个电子而形成一个自由电子，这样，在半导体中就形成了大量自由电子。这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或N型半导体。SiGe+P=N型P+多余电子SiSiSiSiSiSiP掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。自由电子是这种半导

6、体的导电方式，称之为电子型半导体或N型半导体。特点在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。室温情况下，本征硅中当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几十万倍P型半导体在硅或锗晶体中渗入硼(或其它三价元素)。每个硼原子只有三个价电子故在构成共价键结构时将因缺少一个电子而形成一个空穴，这样，在半导体中就形成了大量空穴。这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体。SiGe+B=P型SiSiSiSiSiSiB+B空穴掺硼的半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子，自由电

7、子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多。二、半导体二极管PN结是由P型和N型半导体组成的，但它们一旦形成PN结，就会产生P型和N型半导体单独存在所没有的新特性。概念：扩散和漂移在PN结中，载流子（电子与空穴）有两种运动形式，即扩散和漂移。扩散——由于浓度的不同而引起的载流子运动。比如，把蓝墨水（浓度大）滴入一杯清水（浓度小）中，蓝色分子会自动地四周扩散开来，值到整杯水的颜色均匀为止。漂移——在电场作用下引起的载流子运动PN结的形成1

8、、PN结的形成多数载流子的扩散运动形成PN结空间电荷区的一个重要特征是：在此区间中，电子和空穴相互复合，束缚于共价键内，造成主要载流子不足，因此，空间电荷区也称为耗尽区（耗损层）。由于主要载流子的不足，耗损层的电阻率非常高，比P区和N区的电阻率高得多。在耗尽层内N型侧带正电，P型侧带负电，因此内部产生一个静电场，耗尽