任务1半导体的识别及检测

1、任务1半导体的识别及检测二、教学组织 理论+实践教学三、教学方法 教师引导，学生分组讨论，教师提出问题，学生分组讨论解决问题四、考核评价 任务考核，工程考核+综合测试五、课外辅导任务1 半导体的识别及检测 任务2 常用仪器仪表的使用任务3 放大电路的分析设计任务4 集成运算电路的分析设计工程一 模拟电路的设计 物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体3类。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。目前用来制造半导体器件的材料大多是指纯洁的单晶型半导体，主要有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓GaAs)等。 任务1 半导体的识别及检测 半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下特性。 一

2、、 认识半导体的独特性能 由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，使今天的半导体器件取得了举世瞩目的开展。1通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导。2温度可明显地改变半导体的电导率。3光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。二、 本征半导体与杂质半导体1、天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为本征半导体一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。硅和锗的简化原子模型。这是硅和锗构成的共价键构造示意图 晶体构造中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度和没有

3、外界能量激发时，价电子没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体中几乎没有自由电子，因此不能导电本征激发动画演示+4+4+4+4本征半导体的导电机理自由电子空穴束缚电子 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的局部自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如下图。激发复合本征激发和复合的过程 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴 。空穴自由电子本征半导体中产生电子空穴对的现象称为本征激发。 共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较

4、容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如右图所示。 在半导体中同时存在自由电子和空穴两种载流子参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，因此与本征激发不同，它不会产生空穴。由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子称为施主原子。 掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称为电子型半导体，也叫做N型半导体。 在N型半导体中，自由电子为多数载流子简称多子，空穴为少数载流子简称少子。 2、杂质半导体 相对金属导体而言

5、，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体可以分为N型和P型两大类。 N型半导体+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子 不管是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。 应注意：P型半导体 在P型半导体中，由于杂质原子可以接收一个价电子而成为不能移动的负离子，故称为受主原子。 掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。 在硅或锗晶体中掺入微量的

6、三价元素杂质硼或其他，硼原子在取代原晶体构造中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子而成为不能移动的负离子；而原来的硅原子共价键那么因缺少一个电子，出现一个空穴。于是半导体中的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子那么成为少数载流子。 +4+4+3+4空穴P型半导体硼原子 正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场，称为内电场，它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。同时，内电场对少数载流子起推动作用，把少数载流子在内电场作用下有规那么的

7、运动称为漂移运动。 三、 PN结 P型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型或P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或N型半导体，在P型和N型半导体的交界面就会形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的根底。 左图所示的是一块晶片，两边分别形成P型和N型半导体。为便于理解，图中P区仅画出空穴多数载流子和得到一个电子的三价杂质负离子，N区仅画出自由电子多数载流子和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽，形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是PN结，又叫

8、耗尽层。 空间电荷区 PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件例如温度一定下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动那么逐渐增强，最后两者到达动态平衡，空间电荷区的宽度根本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +PN结的形成演示 根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽，形成载流子极少的正负空间电荷区如上图所示，也就是PN结，又叫耗尽层。 P区N区空间电荷区少子漂移 扩散与漂移到达动态平衡形成一定宽度的PN结多子扩散 形

9、成空间电荷区产生内电场 促使阻止 扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散使空间电荷区加宽，促使内电场增强，同时对多数载流子的继续扩散阻力增大，但使少数载流子漂移增强；漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又促使多子的扩散容易进展。继续讨论 当漂移运动到达和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。可以想象，在平衡状态下，电子从N区到P区扩散电流必然等于从P区到N区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反。 在无外电场或其他因素激发时，PN结处于平衡状态，没有电流通过，空间电荷区的宽度一定。 由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到

10、对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区。扩散作用越强，耗尽层越宽。 PN结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。 1 PN结的单向导电性 PN结具有单向导电的特性，也是由PN构造成的半导体器件的主要工作机理。PN结外加正向电压也叫正向偏置时，如左以下图所示：正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过

11、少子的漂移运动，N区的电子不断扩散到P区，P区的空穴也不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。4.2.2 PN结的单向导电性 1. PN 结加正向电压正向偏置PN 结变窄 P接正、N接负 外电场IF 内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。 PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN+动画+P端引出极接电源负极，N端引出极电源正极的接法称为反向偏置；反向偏置时内、外电场方向一样，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进展，即PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流 IR一般

12、情况下可忽略不计，此时称PN结处于截止状态。 PN结的“正偏导通，反偏阻断称为其单向导电性质，这正是PN构造成半导体器件的根底。 PN 结变宽2. PN 结加反向电压反向偏置外电场 内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR P接负、N接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。动画 PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+4.2 PN结 PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P 型半导体N 型半导体 内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。 扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷

13、区也称 PN 结 扩散和漂移这一对相反的运动最终到达动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。+动画形成空间电荷区4. PN结的单向导电性24 PN结反向偏置时的情况25阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅( c ) 平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳( a ) 点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线( b ) 面接触型图 1 12 半导体二极管的构造和符号 半导体二极管二极管的构造示意图阴极阳极( d ) 符号D4.3.2 伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿

14、，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0锗0.2UI死区电压PN+PN+ 反向电流在一定电压范围内保持常数。4.3.3 主要参数1. 最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2. 反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。讨论题 半导体

15、的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别：金属导体中只有一种载流子自由电子参与导电，半导体中有两种载流子自由电子和空穴参与导电，而且这两种载流子的浓度可以通过在纯洁半导体中参加少量的有用杂质加以控制。半导体导电机理和导体的导电机理有什么区别？ 杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子。假设掺杂的是五价元素，那么由于多电子形成N型半导体：多子是电子，少子是空穴；如果掺入的是三价元素，就会由于少电子而构成P型半导体。 P型半导体的共价键构造中空穴多于电子，且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补，因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式，所以多子是空穴，少子是电子。杂质半导体中的多数载流

16、子和少数载流子是怎样产生的？为什么P型半导体中的空穴多于电子？ N型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量一样的正离子及由本征激发的电子空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。N型半导体中的多数载流子是电子，能否认为这种半导体就是带负电的？为什么？ 空间电荷区的电阻率为什么很高？ 何谓PN结的单向导电性？ 2. 半导体在热或光照等 作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会 “跳进另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子空穴对被“吃掉。在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进展，最终处于一种平