半导体器件构成电子电路基本元件

半导体器件是构成电子电路的基本元件,所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。

纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

一、半导体：

物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素,它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子,在外电场的作用下产生定向移动,形成电流。高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子,所以导电性极差,成为绝缘体。常用的半导体材料硅(si)和锗(ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因而其导电性介于二者之间。

在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素时,导电性能具有可控性;并且,在光照和热辐射条件下,其导电性还有明显的变化;这些特殊的性质就决定了半导体可以制成各种电子器件。

二、本征半导体的晶体结构

将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。由于相邻原子间的距离很小,因此,相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,这样的组合称为共价键结构。

除价电子外的正离子。

三、本征半导体中的两种载流子

晶体中的共价键具有很强的结合力,因此,在常温下,仅有极少数的价电子由于热运动(热激发)获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时,在共价键中留下一个空位置,称为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电,或者说空穴带正电。在本征半导体中,自由电子与空穴是成对出现的,即自由电子与空穴数目相等。若在本征半导体两端外加一电场,则一方面自由电子将产生定向移动,形成电子电流;另一方面由于空穴的存在,价电子将按一定的方向依次填补空穴,也就是说空穴也产生定向移动,形成空穴电流。由于自由电子和空穴所带电荷极性不同,所以它们的运动方向相反,本征半导体中的电流是两个电流之和。

运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子,即自由电子导电;而本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电,这是半导体导电的特殊性质。

四、本征半导体中载流子的浓度

半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,故达到动态平衡。换言之,在一定温度下,本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。当环境温度升高时,热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也随之增多,即载流子的浓度升高,因而必然使得导电性能增强。反之,若环境温度降低,则载流子的浓度降低,因而导电性能变差,可见,本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。理论分析表明。

应当指出,本征半导体的导电性能很差,且与环境温度密切相关。半导体材料性能对温度的这种敏感性,既可以用来制作热敏和光敏器件,又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。

应当指出，本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关.半导体材料性能对温度的这种敏感性，既可以用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因.

通过扩散工艺,在本征半导体中掺人少量合适的杂质元素,便可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不同,可形成n型半导体和р型半导体;控制掺入杂质元素的浓度,就可控制杂质半导体的导电性能。

通过扩散工艺，在本征半导体中掺人少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体.按掺入的杂质元素不同，可形成n型半导体和р型半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能.

在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代品格中硅原子的位置,就形成了n型半导体。。由于杂质原子的最外层有五个价电子,所以除了与其周围硅原子形成共价键外,还多出一个电子,如图1.1.3所示。多出的电子不受共价键的束缚,只需获得很少的能量,就成为自由电子。在常温下,由于热激发,就可使它们成为自由电子。而杂质原子因在晶格上,且又缺少电子,故变为不能移动的正离子。n型半导体中,自由电子的浓度大于空穴的浓度,故称自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子;简称前者为多子,后者为少子,由于杂质原子可以提供电子,故称之为施主原子。n型半导体主要靠自由电子导电,掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。

在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷)，使之取代品格中硅原子的位置，就形成了n型半导体.由于杂质原子的最外层有五个价电子，所以除了与其周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子。多出的电子不受共价键的束缚，只需获得很少的能量，就成为自由电子.在常温下，由于热激发，就可使它们成为自由电子.而杂质原子因在晶格上，且又缺少电子，故变为不能移动的正离子.n型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子；简称前者为多子，后者为少子，由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子.n型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子(自由电子)的浓度就越高，导电性能也就越强。

在纯净的硅晶体中掺人三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成р型半导体。由于杂质原子的最外层有3个价电子,所以当它们与周围的硅原子形成共价键时,就产生

在纯净的硅晶体中掺人三价元素(如硼)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成р型半导体3.由于杂质原子的最外层有3个价电子，所以当它们与周围的硅原子形成共价键时，就产生

了一个“空位”(空位为电中性),当硅原子的外层电子填补此空位时,其共价键中便产生一个空穴,如图1.1.4所示,而杂质原子成为不可移动的负离子。因而р型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,主要靠空穴导电。与n型半导体相同,掺入的杂质越多,空穴的浓度就越高,使得导电性能越强。因杂质原子中的空位吸收电子,故称之为受主原子。

从以上分析可知,由于掺入的杂质使多子的数目大大增加,从而使多子与少子复合的机会大大增多。因此,对于杂质半导体,多子的浓度愈高,少子的浓度就愈低。可以认为,多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度,因而它受温度的影响很小;而少子是本征激发形成的,所以尽管其浓度很低,却对温度非常敏感,这将影响半导体器件的性能。

性能电子电路低价结构元素

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