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1、1第1章半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識1.1半導(dǎo)體及PN結(jié)半導(dǎo)體器件是20世紀(jì)中期開始發(fā)展起來的,具有體積小、重量輕、使用壽命長、可靠性高、輸入功率小和功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),因而在現(xiàn)代電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子電路的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體器件和電阻、電容、電感等器件連接起來,可以組成各種電子電路。顧名思義,半導(dǎo)體器件都是由半導(dǎo)體材料制成的,就必須對半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)有一定的了解。1.1.1半導(dǎo)體的基本特性在自然界中存在著許多不
2、同的物質(zhì),根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。通常將很容易導(dǎo)電、電阻率小于Ω?cm的物質(zhì),稱為410?導(dǎo)體,例如銅、鋁、銀等金屬材料;將很難導(dǎo)電、電阻率大于Ω?cm的物質(zhì),1010稱為絕緣體,例如塑料、橡膠、陶瓷等材料;將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、電阻率在Ω?cm~Ω?cm范圍內(nèi)的物質(zhì),稱為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料410?1010是硅(Si)和鍺(Ge)。用半導(dǎo)體材料制作電子元器件,不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體
3、和絕緣體之間,而是由于其導(dǎo)電能力會隨著溫度的變化、光照或摻入雜質(zhì)的多少發(fā)生顯著的變化,這就是半導(dǎo)體不同于導(dǎo)體的特殊性質(zhì)。1、熱敏性、熱敏性所謂熱敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加。半導(dǎo)體的電阻率對溫度的變化十分敏感。例如純凈的鍺從20℃升高到30℃時(shí),它的電阻率幾乎減小為原來的1/2。而一般的金屬導(dǎo)體的電阻率則變化較小,比如銅,當(dāng)溫度同樣升高10℃時(shí),它的電阻率幾乎不變。2、光敏性、光敏性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著
4、改變的特性叫做光敏性。一種硫化銅薄膜在暗處其電阻為幾十兆歐姆,受光照后,電阻可以下降到幾十千歐姆,只有原來的1%。自動(dòng)控制中用的光電二極管和光敏電阻,就是利用光敏特性制成的。而金屬導(dǎo)體在陽光下或在暗處其電阻率一般沒有什么變化。3、雜敏性、雜敏性所謂雜敏性就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力因摻入適量雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化。在半導(dǎo)體硅中,只要摻入億分之一的硼,電阻率就會下降到原來的幾萬分之—。所以,利3的帶電粒子,稱它為空穴載流子。圖14所示是半導(dǎo)體中的兩
5、種載流子。圖13硅和鍺晶體結(jié)構(gòu)平面圖圖14半導(dǎo)體中的兩種載流子綜上所述,本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子:帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。它們是成對出現(xiàn)的,也叫電子空穴對。由于兩者電荷量相等,極性相反,所以本征半導(dǎo)體是電中性的。本征半導(dǎo)體在外界的作用下,電子形成電子電流,空穴形成空穴電流雖然兩種載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反,但因?yàn)樗鼈兯鶐У碾姾蓸O性也相反,所以兩種電流的實(shí)際方向是相同的,它們的和就是半導(dǎo)體中的電流。另外需要指出的是,價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)
6、中獲得能量產(chǎn)生了電子空穴對,這種物理現(xiàn)象稱為激發(fā);同時(shí)自由電子在運(yùn)動(dòng)中與空穴相遇,使電子、空穴對消失,這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生過程和復(fù)合過程是相對平衡的,載流子的濃度是一定的。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度,除了與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還與溫度有關(guān)。而且隨著溫度的升高,基本上呈指數(shù)規(guī)律增加。因此,半導(dǎo)體載流子濃度對溫度十分敏感。1.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的電阻率比較大,載流子濃度又小,且對溫度變化敏感,因此它的
7、用途很有限。在本征半導(dǎo)體中,人為地?fù)饺肷倭科渌?稱雜質(zhì)),可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化。利用這一特性,可以制成各種性能不同的半導(dǎo)體器件,這樣使得它的用途大大增加。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同,可分為兩種:電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體。載流子以電子為主的半導(dǎo)體叫電子型半導(dǎo)體,因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,取英文單詞“負(fù)”(Negative)的第一個(gè)字母“N”,所以電子型半導(dǎo)體又稱為N型半導(dǎo)體。載流子以空穴為主的半導(dǎo)
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