半导体的主要特征.ppt

1 1半导体的主要特征 1 1 1本征半导体 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 一 导体 半导体和绝缘体 2 原子结构示意图 平面结构 立体结构 1 本征半导体 本征半导体就是完全纯净的半导体 共价键 价电子 本征半导体受热或光照 本征激发产生电子和空穴 自由电子 空穴 电子空穴成对产生 电子空穴复合 成对消失 动画10 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 小结 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 在外电场作用下 价电子填补空穴而使空穴移动 形成空穴电流 动画19 1 在半导体中有两种载流子 这就是半导体和金属导电原理的本质区别 a 电阻率大 2 本征半导体的特点 b 导电性能随温度变化大 小结 本征半导体不能在半导体器件中直接使用 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 根据掺杂的不同 杂质半导体分为 1 N型半导体 掺入五价杂质元素 如磷 砷 的杂质半导体 掺入少量五价杂质元素磷 多出一个电子 出现了一个正离子 半导体中产生了大量的自由电子和正离子 动画26 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 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 b N型半导体中产生了大量的 自由 电子和正离子 小结 d np nn K T 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 2 P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼等 出现了一个空位 负离子 空穴 半导体中产生了大量的空穴和负离子 动画33 c 空穴是多数载流子 电子是少数载流子 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 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 小结 d np nn K T 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 杂质半导体的转型 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 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 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 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 a N型半导体 b P型半导体 图杂质半导体的的简化表示法 37 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 图PN结的形成 一 PN结的形成 1 1 3PN结及其单向导电性 38 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 PN结的形成 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 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 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 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 PN结的单向导电性 必要吗 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 对称结 即扩散运动与漂移运动达到动态平衡 不对称结 42 图1 1 7PN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 43 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 综上所述 可见 PN结具有单向导电性 44 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 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 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 5M 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1k 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 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