文档介绍：第3章二极管及其基本电路
半导体的基本知识
半导体材料
自然界的许多物质可分为:
导体: 铜、铝、银
半导体:硅、锗(元素半导体)、***化镓(化合物半导体)
绝缘体:橡胶、陶瓷、塑料、石英
常用的半导体为硅Si 和锗Ge
说明:半导体受光、热刺激, 或微量掺杂→导电能力显著增强,易控制,应用广;这是其在电子领域中广泛应用的关键.
半导体的共价键结构
以硅为例
•原子核为(14),14个电子(分能级),能量大的,离核远。
•吸收或释放能量将使电子的能级变化,最外层的4个,能量大,束缚力小,最易变化。
•原子结构简化模型(硅、锗): 外层有4个电子
•半导体材料:与许多金属和绝缘体一样,具有晶体结构。硅、锗,原子核外层有4个电子,原子按晶格排列。相邻原子间为“共价键”结构。
外层电子称为价电子。
简化模型(硅、锗)
共价键:是表示两个共有价电子所形成的束缚作用。每一个硅(锗)原子都与周围四个原子构成“共价键”,即每个外层电子为两个原子所共有,互相吸引,很牢固——键。
每个电子均为两个原子所共有,被共价键所束缚。
吸收能量,挣脱共价键的束缚。其受束缚适中故称为半导体。电子带负电。
空穴:形象比喻,电子离开后,原位即为空穴。空穴带正电。
本征半导体、空穴及其导电作用
空穴及其导电作用:
在外部热激发下,少数共价键中的电子成为自由电子(称载流子) ——键内出现空穴(即出现正离子),电子空穴成对出现,称为电子空穴对(观看动画)。
说明:导体中没有空穴,这是半导体区别于导体的重要特征。
本征半导体: 完全纯净、结构完整的晶体——纯净半导体。
本征激发: 被束缚的价电子受到激发而挣脱共价键的束缚,成为自由电子,这种现象称为本征激发(观看动画)。
空穴带正电,具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移,即电流(观看动画) 。
由此可见:
(1)空穴与自由电子的运动方向相反,在外电场作用下都参与导电。
(2)半导体中的载流子数目越多,形成的电流也越大。
(3)T=0K时,没有热激发,电子不能传导电流,但又不同于绝缘休。
热激发
自由电子
空穴载流子
电子载流子
注:
①两种载流子的运动(带正电荷的空穴和带负电荷的电子)。
②这种复合运动是不停的,在无外加定向电压时,是杂乱无章的。
本征激发——常温下的热激发,在本征半导体中称为本征激发。本征激发的自由电子和空穴总是成对出现的,即电子空穴对。(自由电子数=空穴数)
载流子的浓度随温度的增加而显著增加导电能力增加。
半导体的导电性能对温度很敏感,这是半导体的重要特性。
在本征半导体中掺入微量的杂质,会使半导体的导电性能发生显著变化。
根据掺杂性质不同,可分为和空穴半导体(P型) 电子半导体(N型)。
1)P型半导体
掺入多出空穴元素的半导体;导电以空穴为主。
掺入少量3价元素——硼。硼原子外层有3个电子,与硅组成共价键后,因缺1个电子而形成空穴。
硼原子在硅晶体中能接受电子,称硼为“受主杂质”,或P型杂质。除硼外,镓、铝、铅、铟外层也是3个电子。
在P型半导体中,多子——空穴;少子——自由电子。
观看动画
2)N型半导体
掺入多出价电子元素的半导体;导电以电子为主。
在硅(或锗)晶体中掺入5价的磷(或锑),外层5个电子中的4个与硅组成共价键,多余1个电子自由电子(仅须很小的能量)。虽掺杂很微但载流子的浓度要远高于本征激发的自由电子的浓度。
 
磷原子在硅晶体中能提供电子,称磷为“施主杂质”,或N型杂质。在N型半导体中,多数载流子——电子;少数载流子——空穴。(观看动画)
注:整体呈电中性。
3)掺杂后的导电性能
不掺杂:晶体的导电性能近乎绝缘体。
掺杂后:半导体中具有多子和少子,这与本征半导体中的电子——空穴对具有关键的差别。
掺杂微量:大大提高了半导体的导电能力。常温下,每个杂质原子可提供一个可成为自由电子的价电子(或空穴),其数量远大于本征半导体激发的电子(或空穴)的浓度,
掺杂——对半导体的导电性能起了关键作用。
注:
①少子是本征激发而产生的,虽浓度很低,但对温度很敏感,它将影响半导体的导电性能。
②而多数载流子的浓度基本等于掺杂原子的浓度,故受温度影响小。
本征半导体、杂质半导体
本节中的有关概念
自由电子、空穴
N型半导体、P型半导体
多数载流子、少数载流子
施主杂质、受主杂质