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1.1半导体的主要特征_图文

时间:2018-04-30

1.1 半导体的主要特征

1.1.1 本征半导体
一、导体、半导体和绝缘体
导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属 一般都是导体。 绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 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,如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
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原子结构示意图

+14 Si

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+32 Ge

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8 18 4

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硅原子结构示意图

锗原子结构示意图
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硅、锗原子 的简化模型
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1. 本征半导体 本征半导体就是完全纯净的半导体 平面结构 立体结构
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共价键

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价电子

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本 征 半 导 体 受 热 或 光 照

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本 征 激 发 产 生 电 子 和 空 穴

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+4 自由电子

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空穴

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+4 电子空穴 成对产生

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+4 电子空穴 复合,成 对消失 +4

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小结

本征激发使空穴和自由电子成对产生。
相遇复合时,又成对消失。 空穴浓度(np)=电子浓度(nn) 温度T一定时 np× nn=K(T) K(T) —— 与温度有关的常数
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U

在 外 电 场 作 用 下

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电 子 运 动 形 成 电 子 电 流
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价电子填 补空穴而 使空穴移 动,形成 空穴电流

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小结 带负电的自由电子 (1) 在半导体中有两种载流子 带正电的空穴

这就是半导体和金属导电原理的 本质区别

(2) 本征半导体的特点
a. 电阻率大 b. 导电性能随温度变化大 本征半导体不能在半导体器件中直接使用
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1.1.2N型半导体和P型半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元
素后所形成的半导体 N型导体 根据掺杂的不同,杂质半导体分为

P型导体
(1) N型半导体 掺入五价杂质元素(如磷、砷)的杂质半导体
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掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4

P

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多出 一个 电子 出现 了一 个正 离子
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P

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半导体中产生了大量的自由电子和正离子 + + + + + +

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小结 a. N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质 元素形成的。

b. N型半导体中产生了大量的(自由)电子和正离子。 c. 电子是多数载流子,简称多子;空穴是少数载流 子,简称少子。
d. np× nn=K(T)

e. 因电子带负电,称这种半导体为N(negative)型或 电子型半导体。
f. 因掺入的杂质给出电子,又称之为施主杂质。
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(2)

P型半导体 +4 +4 +4

B
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在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼等。
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出 现 了 一 个 空 位

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半导体中产生了大量的空穴和负离子 -

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小结 a. P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价 杂质元素形成的。 b. P型半导体产生大量的空穴和负离子。 c. 空穴是多数载流子,电子是少数载流子。 d. np× nn=K(T) e. 因空穴带正电,称这种半导体为P(positive)型或 空穴型半导体。 f. 因掺入的杂质接受电子,故称之为受主杂质。
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杂质半导体的转型 当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时,可

将N型转为P型;
当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时,可 将P型转为N型。

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说明:
1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决 定少数载流子的浓度。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体,因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。

(a)N 型半导体

(b) P 型半导体
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杂质半导体的的简化表示法

1.1.3 PN结及其单向导电性
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体, 另一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形 成了一个特殊的薄层,称为 PN 结。

一、PN 结的形成
P
PN结

N



PN 结的形成
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物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。

扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低,产生内电场。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn

PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成 内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态 平衡,就形成了PN结。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn

PN 结的单向导电性

PN结加正向电压导通: 耗尽层变窄,扩散运动加 剧,由于外电源的作用,形 成扩散电流,PN结处于导通 状态。

必要吗? PN 结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动, 有利于漂移运动,形成漂移电 流。由于电流很小,故可近似 认为其截止。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn

扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小; 随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加; 当扩散电流与漂移电流相等时,PN 结总的电流等 于零,空间电荷区的宽度达到稳定。 即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。
P
N

对称结 不对称结
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P

耗尽层

N

IS 内电场方向 外电场方向 R V 图 1.1.7 PN 结加反相电压时截止

反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感, 随着温度升高, IS 将急剧增大。
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综上所述: 当 PN 结正向偏置时,回路中将产生一个较大 的正向电流, PN 结处于 导通状态; 当 PN 结反向偏置时,回路中反向电流非常 小,几乎等于零, PN 结处于截止状态。 可见, PN 结具有单向导电性。



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第一课 电阻元件 电感元件 电容元件

1.1.4具有特殊性能的半导体器件 敏感电阻是指那些电阻特性对外界温度、电压、 机械力、亮度、湿度、磁通密度、气体浓度等物理 量反映敏感的电阻元件。 它们常用于检测和控制相应物理量的装置中, 是自动检测和自动控制中不可缺少的组成部分。 按输入、输出关系,敏感电阻器可分为“缓变 型”和“突变型”两种。

第一课 电阻元件 电感元件 电容元件

A. 热敏电阻
热敏电阻通常由单晶或多晶等半导体材料构成,是以钛 酸钡为主要原料,辅以微量的锶、钛、铝等化合物加工制成 的。它是一种电阻值随温度变化的电阻,可分为阻值随温度 升高而减小的负温度系数热敏电阻(MF)和阻值随温度升 高而升高的正温度系数热敏电阻(MZ),有缓变型和突变 型。 主要用于温度测量,温度控制(电磁灶控温),火灾 报警,气象探空,微波和激光功率测量,在收音机中作温度 补偿,在电视机中作消磁限流电阻。 其符号为:
θ

第一课 电阻元件 电感元件 电容元件

B. 光敏电阻(MG)
光敏电阻是将对光敏感的材料涂在玻璃上,引出电极制 成的。根据材料不同,可制成对某一光源敏感的光敏电阻。
它是利用半导体光敏效应制成的一种元件。电阻值随入 射光线的强弱而变化,光线越强,电阻越小。无光照射时, 呈现高阻抗,阻值可达 1.5MΩ以上;有光照射时,材料激发 出自由电子和空穴,其电阻值减小,随着光强度的增加,阻 值可小至1kΩ以下。

如:可见光敏电阻,主要材料是硫化镉,应用于光电控 制。红外光敏电阻,主要材料是硫化铅,应用于导弹、卫星 监测。 其符号为:

第一课 电阻元件 电感元件 电容元件

C. 压敏电阻(MY)
压敏电阻是以氧化锌为主要材料制成的半导体陶瓷元件, 电阻值随加在两端电压的变化按非线性特性变化。当加到两

端电压不超过某一特定值时,呈高阻抗,流过压敏电阻的电
流很小,相当于开路。当电压超过某一值时,其电阻急骤减 小,流过电阻的电流急剧增大。

压敏电阻在电子和电气线路中得到较多的应用,主要用
于过压保护和用来作为稳压元件。

其符号为:

V

第一课 电阻元件 电感元件 电容元件

D. 磁敏电阻(MC)
磁敏电阻器是采用砷化铟或锑化铟等材料,根据半导 体的磁阻效应制成的,阻值随穿过它的磁通量增大而增大。

它是一种对磁场敏感的半导体元件,可以将磁感应信号转
变为电信号。 主要用于测磁场强度、磁卡文字识别、磁电编码、交 直流变换。 其符号为:
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