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1、第一节半导体的基础知识现在学习的是第1页，共23页1、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识绕原子核高速绕原子核高速旋转的核外电子旋转的核外电子带负电带负电带负电带负电。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。转着的带有负电的电子组成。正电荷正电荷正电荷正电荷负电荷负电荷负电荷负电荷=原子结构中：原子结构中：原子核原子核原子核中有质子和中子，原子核中有质子和中子，其中质子其中质子带正电带正电带正电带正电，
2、中子，中子不带电。不带电。现在学习的是第2页，共23页（1 1）导体导体 导体的最外层电子数通常是13个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有金、银、铜、铝等。导体的特点：导体的特点：内部含有大量的自由电子内部含有大量的自由电子现在学习的是第3页，共23页（2）绝缘体绝缘体 绝缘体的最外层电子数一般为6-8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因
3、此导电能力极差或不导电。常用的绝缘体材料有橡胶、陶瓷、惰性气体等。绝缘体的特点：绝缘体的特点：内部几乎没有自由电子，因此不导电。现在学习的是第4页，共23页（3）半导体半导体 半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有硅、锗等。半导体的特点：半导体的特点：导电性能介于导体和绝缘体之间。现在学习的是第5页，共23页光敏性光敏性当光照增强时，导电能力增强。热敏性热敏性当环境温度升高时，其导电能力增强。掺杂性掺杂性纯净的半导体中掺入某些微量杂质，导电能力明显改变。半导体材料的独特性能是由其内部
4、的导电机理所决定的。2、半导体的导电特性半导体的导电特性现在学习的是第6页，共23页3 3、本征半导体本征半导体价电子共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除去价电表示除去价电子后的原子子后的原子本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相在本征半导体的晶格结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子邻的四个原子结合，即与相邻四个原子的价电子两两组成电子对，形成两两组成电子对，形成共价键结构共价键结构共价键结构共价键结构。共价键中的。共价键中的两个电子，称为两个电子，称为价电子
5、价电子价电子价电子。现在学习的是第7页，共23页+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子 在热力学零度时在热力学零度时，半导体半导体不导电。当温度升高或受到不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，成为原子核的束缚，成为自由电子自由电子本征激发本征激发。自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来同时，在其原来的共价键中就出的共价键中就出现了一个空位，现了一个空位，这个空位为这个空位为空穴空穴。因本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现因本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为
6、的，称为电子空穴对电子空穴对。现在学习的是第8页，共23页电子和空穴产生过程动画演示电子和空穴产生过程动画演示现在学习的是第9页，共23页若在半导体两端外若在半导体两端外加电压，带负电的加电压，带负电的自由电子和带正电自由电子和带正电的空穴如何运动？的空穴如何运动？现在学习的是第10页，共23页 在外加电场作用下，自由电子定向运动产生电流在外加电场作用下，自由电子定向运动产生电流漂移电流漂移电流。空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，在价电子原来的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，在价电子原来的位置上出现了新的空穴位置上出现了新的空穴，不断地重复运动，相当于空穴，不断地重复运动，相当于空穴运动运动
7、空穴电流空穴电流。自自由由电电子子在在运运动动的的过过程程中中如如果果与与空空穴穴相相遇遇就就会会填补空穴，使两者同时消失填补空穴，使两者同时消失复合。复合。本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载流子载流子，即即自由电子自由电子和和空穴空穴。现在学习的是第11页，共23页带负电的带负电的自由电子自由电子向向正极做定向运动正极做定向运动，被原子核，被原子核束缚着的价电子递补空穴使束缚着的价电子递补空穴使空穴向负极运动空穴向负极运动。两。两种载流子形成种载流子形成电荷极性不同电荷极性不同，但，但电流方向相同电流方向相同的电子流。的电子流。本征半导体中电流由两部分组成：本征半
8、导体中电流由两部分组成：1.1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。自由电子自由电子带负电荷带负电荷电子流电子流总电流总电流载流子载流子空穴空穴带正电荷带正电荷空穴流空穴流现在学习的是第12页，共23页半导体导电机理动画演示半导体导电机理动画演示现在学习的是第13页，共23页本征半导体中由于热激发存在数量相等的两种载流子，即自由本征半导体中由于热激发存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴载流子。电子和空穴载流子。在半导体两端外加电压，带负电的自由电子向正极做定向运动，被原在半导体两端外加电压，带负电的自由电子向正极做定向运动，被原
9、子核束缚着的价电子递补空穴使空穴向负极运动。两种载流子形成电子核束缚着的价电子递补空穴使空穴向负极运动。两种载流子形成电荷极性不同，但电流方向相同的电子流。荷极性不同，但电流方向相同的电子流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体导电性能的一个重要的外部因素，温度是影响半导体导电性能的一个重要的外部因素，这是半导这是半导体的一大特点体的一大特点。4 4、半导体的导电机理总结半导体的导电机理总结现在学习的是第14页，共23页 在温度
10、一定时，这两种相互矛盾的运动达到在温度一定时，这两种相互矛盾的运动达到相对平衡相对平衡，单，单位时间内电子位时间内电子-空穴对产生和复合的数目相等，实际存在空穴对产生和复合的数目相等，实际存在着的电子着的电子-空穴对维持在一定的数目上。空穴对维持在一定的数目上。晶体内原子的热运动加剧，热激发增多，产生超晶体内原子的热运动加剧，热激发增多，产生超过复合，使原来的平衡被破坏，自由电子和空穴过复合，使原来的平衡被破坏，自由电子和空穴的数目增多，复合的机会也增大，最后达到一个的数目增多，复合的机会也增大，最后达到一个新的动态平衡。新的动态平衡。说明：说明：热激发产生的电子热激发产生的电子-空穴对的数空
11、穴对的数目，是由温度决定的，在一般室温下，目，是由温度决定的，在一般室温下，其数量甚少；当温度升高时，其数量随其数量甚少；当温度升高时，其数量随之增加，即半导体导电能力随之增强。之增加，即半导体导电能力随之增强。现在学习的是第15页，共23页5 5.杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。的某种载流子浓度大大增加。P P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体。空穴浓度大大增加的杂质半导体。N N 型半导
12、体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体。自由电子浓度大大增加的杂质半导体。现在学习的是第16页，共23页(1)N(1)N型半导体型半导体+五价元素磷五价元素磷(P)(P)444444444P掺入磷杂质的掺入磷杂质的半导体晶格中，半导体晶格中，自由电子的数自由电子的数量大大增加。量大大增加。在在N N型半导体中，自由电子数目大增，型半导体中，自由电子数目大增，自由自由电子数目远远大于空穴数量电子数目远远大于空穴数量，自由电子自由电子被被称为称为“多数载流子多数载流子”（简称（简称“多子多子”）；空穴空穴则称为则称为“少数载流子少数载流子”（简称（简称“少子少子”）。现在学习的是第17页，
13、共23页正离子正离子电子电子多出多出一个一个电子电子出现出现了一了一个正个正离子离子+4+4+4+4+4+4+4+4P P半导体中产生了大量的自由电子和正离子半导体中产生了大量的自由电子和正离子现在学习的是第18页，共23页N N型半导体形成过程动画演示型半导体形成过程动画演示现在学习的是第19页，共23页(2 2)P P型半导体型半导体444444444三价元素硼三价元素硼(B)(B)B+掺入硼杂质的半掺入硼杂质的半导体晶格中，空导体晶格中，空穴载流子的数量穴载流子的数量大大增加。大大增加。掺入掺入三价三价元素的杂质半导体，空穴载流子的数量大大元素的杂质半导体，空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量于自由电子载流子的数量，叫做叫做P P型型半导体。半导体。在在P P型半导体中，型半导体中，多数载流子是空穴多数载流子是空穴，少数载流子是少数载流子是自由电子自由电子，而不能移动的离子带，而不能移动的离子带负电负电。现在学习的是第20页，共23页出出现现了了一一个个空空位位+4+4+4+4+4+4B B+4+4现在学习的是第21页，共23页+4+4+4+4+4+4B B+4+4负离子负离子空穴空穴现在学习的是第22页，共23页半导体中产生了大量的空穴和负离子半导体中产生了大量的空穴和负离子负离子负离子空穴空穴现在学习的是第23页，共23页