《电工电子技术基础及应用》课件 6.1 半导体的基本知识

第六章

二极管及整流电路《电工电子技术基础》二极管及整流电路半导体的基本知识PN结的形成及特性PN结的形成及特性特殊二极管半导体电子管电子管功放胆机半导体20世纪40年代末，科学家发现了半导体（Semiconductor）晶体对电信号的放大作用，从而改变了电子管在电子技术领域一统天下的局面，使电子技术步入了辉煌的半导体时代。半导体器件具有体积小、重量轻、低功耗、寿命长、转换效率高等电子管不具备的优点。随着半导体器件和集成电路在现代电子技术中的广泛应用，各种电子设备在微型化、可靠性等方面得到极大提高。我们使用的计算机、手机、LED电视、智能手表以及直流充电器等都是半导体器件和集成电路应用的成果。半导体晶体三极管i9CPU集成了220亿个晶体管二极管和三极管是最基本的半导体器件，也是制作集成电路的基础。PN结是构成二极管和三极管的基本单元结构。6.1半导体的基本知识《第六章二极管及整流电路》学习目标1.了解半导体材料的特性2.熟悉本征半导体、杂质半导体6.1.1半导体材料半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料，常用的半导体材料有硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs，还有其他半导体材料如硼B、磷P、铟In和锑Sb等。Si是半导体中应用最广的材料，由于Si存世量大，设计与制造技术成熟，硅晶体管的价钱便宜，温度稳定性高，因而在电子元器件和集成电路的制造和应用中处于主导地位。为了使集成电路具有高效率、低能耗、高速度的性能，相继发展了GaAs、InP等半导体单晶材料和SiC、GaN、ZnSe、金刚石等宽禁带半导体材料以及SiGe/Si、SOI（SiliconOnInsulator）等新型硅基材料。6.1.2本征半导体完全纯净且结构完整的半导体晶体叫作本征半导体，它们都是四价元素，原子最外层轨道上具有4个电子，称为价电子。物质的物理、化学等性质是由价电子数决定的，半导体的导电性质也与价电子有关。+4现代半导体材料主要使用硅和锗，其外层均有4个价电子，而原子核和除价电子外的内层电子组成惯性核（相当于带有4个单位正电荷，在图中用代表惯性核）。6.1.2本征半导体制造半导体器件的硅和锗是单晶材料，具有金刚石结构，其晶体共价键结构如图1所示。它们的原子形成有序的排列，每个硅（锗）原子的4个价电子与相邻的4个硅（锗）原子的各一个价电子分别结成共用电子对，形成稳定的共价键，如图2所示。图1硅和锗的晶体共价键结构图2硅和锗的晶格结构图6.1.2本征半导体1.本征半导体中的两种载流子——电子和空穴在绝对温度0K时，本征半导体中没有载流子，呈绝缘体特性。在室温下，本征半导体中少数共价键中的电子因受热而获得能量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电子。失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留下了一个空位，因自由电子带负电荷，可把其留下的空位看成带正电荷的粒子，称其为空穴。由于本征硅或锗每产生一个自由电子必然会有一个空穴对应出现，即电子与空穴成对出现，所以称为电子空穴对，如图所示。6.1.2本征半导体2.本征半导体的热敏特性和光敏特性本征半导体受热或光照后其导电能力大大增强。当温度升高或光照增强时，本征半导体内的原子运动加剧，有较多的电子获得能量成为自由电子，即电子空穴对增多，所以本征半导体中电子空穴对的数目与温度和光照有密切关系。温度越高（温度每升高10℃左右，硅中的载流子浓度约增加一倍）、光照越好，本征半导体内载流子数目越多，导电性越强，这就是本征半导体的热敏特性和光敏特性。6.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入其他微量元素，可使其导电能力大大加强。例如，在硅本征半导体中掺入千万分之几的其他微量元素，它的导电能力就会增强数百万倍，这就是本征半导体的掺杂特性。掺入的微量元素称为杂质，掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。因掺入杂质的性质不同，杂质半导体可分为P（空穴）型半导体和N（电子）型半导体两大类。P（空穴）