汽車電工電子技術(shù)課件 任務(wù)1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)演講人

6.1.1半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力自然界中的物質(zhì)，按照導(dǎo)電能力的好壞，一般分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三類。導(dǎo)體是指電阻率很低、很容易導(dǎo)電的物質(zhì)，大多數(shù)金屬材料都是導(dǎo)體，代表性導(dǎo)體材料有銅、鋁、銀等。因?yàn)閷?dǎo)體的最外層電子很容易脫離原子核的束縛成為自由電子，若有外電場(chǎng)的作用電子可以定向移動(dòng)形成電流，因此導(dǎo)體是靠帶負(fù)電的自由電子導(dǎo)電的；絕緣體是指電阻率很大、一般不導(dǎo)電的物質(zhì)，代表性材料有塑料、橡膠、陶瓷、惰性氣體等。因?yàn)榻^緣體的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)到相當(dāng)程度時(shí)才可能變得導(dǎo)電，此時(shí)稱為絕緣擊穿；半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，代表性的半導(dǎo)體材料有：硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等。

6.1.1半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2.半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)與載流子將完全純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，它具有單晶體結(jié)構(gòu)，如圖6.1所示，在本征半導(dǎo)體中，每一個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子，此時(shí)，每個(gè)原子的最外層結(jié)構(gòu)由4個(gè)電子變成了8個(gè)電子，構(gòu)成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的結(jié)合力。常溫下本征半導(dǎo)體的自由電子很少，因此其導(dǎo)電能力很差。當(dāng)獲得一定熱能后，共價(jià)鍵中的價(jià)電子能掙脫原子核的束縛而成為自由電子，此時(shí)，共價(jià)鍵中對(duì)應(yīng)留出的空位置稱為空穴，空穴帶正電。自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，它們都能參與半導(dǎo)體的導(dǎo)電，稱為載流子。圖6.1半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

6.1.1半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3.半導(dǎo)體的性質(zhì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力實(shí)際上可以通過(guò)以下幾種方法大大提高，這就是半導(dǎo)體的性質(zhì)。（1）熱敏性。溫度升高，半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的數(shù)目變多，其導(dǎo)電能力大增強(qiáng)，即半導(dǎo)體對(duì)溫度非常敏感，利用這一點(diǎn)可以制成各種各樣的熱敏元件，如汽車電路中用到的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫傳感器就是一種熱敏電阻。（2）光敏性。當(dāng)半導(dǎo)體接收到的光照加強(qiáng)時(shí)，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)，利用這一點(diǎn)可以制成各種各樣的光敏元件，如汽車電路中的自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)所用的日照強(qiáng)度傳感器就是一種光敏元件。（3）摻雜性。在純凈的半導(dǎo)體中，摻入微量的雜質(zhì)，某種載流子（電子或空穴）的濃度會(huì)大大增加，其導(dǎo)電能力能增強(qiáng)幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)倍。綜上所述，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力實(shí)際上是可以控制的，在不同的場(chǎng)合下，可以讓其成為導(dǎo)體或絕緣體。

6.1.2P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)表明，在本征半導(dǎo)體中適當(dāng)?shù)負(fù)饺胛⒘康哪撤N元素，這將使摻雜后的半導(dǎo)體要么自由電子的數(shù)量顯著變多，要么空穴的數(shù)量顯著變多，制成了具有特定導(dǎo)電性能的的摻雜半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。1.P型半導(dǎo)體常用的半導(dǎo)體材料硅或鍺都是四價(jià)元素，在其單晶體結(jié)構(gòu)中摻入微量的三價(jià)元素如硼后，硼原子的最外層只有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)需要四個(gè)價(jià)電子，其缺少的一個(gè)價(jià)電子就會(huì)使半導(dǎo)體原子產(chǎn)生一個(gè)空穴，于是，這種半導(dǎo)體中的空穴數(shù)量大幅增加，導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)。在這種半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子），也就是說(shuō)空穴導(dǎo)電成為主要的導(dǎo)電方式，因此將這種半導(dǎo)體稱為空穴半導(dǎo)體。因空穴是帶正電的，又被稱為P型半導(dǎo)體。

6.1.2P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體2.N型半導(dǎo)體在半導(dǎo)體單晶體結(jié)構(gòu)中摻入微量的五價(jià)元素如磷后，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)只需要四個(gè)價(jià)電子，其多出的一個(gè)價(jià)電子就會(huì)很容易脫離原子核的束縛而成為自由電子，于是，這種半導(dǎo)體中的自由電子數(shù)量大幅增加，導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)。在這種半導(dǎo)體中，自由電子變成了多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，也就是說(shuō)自由電子導(dǎo)電成為主要的導(dǎo)電方式，因此將這種半導(dǎo)體稱為電子半導(dǎo)體。因電子是帶負(fù)電的，又被稱為N型半導(dǎo)體。值得注意的是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中，雖然一種載流子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外一種，但兩種導(dǎo)電方式仍然同時(shí)存在，只是以其中一種為主導(dǎo)。另外，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體對(duì)外仍然呈現(xiàn)電中性，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體原子本身以及摻入的雜質(zhì)元素中的每一個(gè)原子原本是不帶電的。

6.1.3PN結(jié)的形成與性質(zhì)1.PN結(jié)的形成一塊單獨(dú)的P型或N型半導(dǎo)體，將它接入電路中，只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)電性能較好的電阻，并不是半導(dǎo)體器件。如圖6.2所示，通常是在一塊完整的半導(dǎo)體基片上，采用特殊的工藝方法，使其兩邊分別摻入不同雜質(zhì)，各自形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，當(dāng)內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，在兩種半導(dǎo)體的交界面處會(huì)形成一個(gè)空間電荷區(qū)，這個(gè)空間電荷區(qū)是一個(gè)可以導(dǎo)電的薄層，將其稱為PN結(jié)，PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。圖6.2PN結(jié)的形成

6.1.3PN結(jié)的形成與性質(zhì)當(dāng)PN結(jié)不施加外加電壓時(shí)，由于半導(dǎo)體單晶體兩邊的載流子濃度的差異，P區(qū)和N區(qū)的多子會(huì)分別向?qū)Ψ綌U(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是在交界面處附近的P區(qū)薄層內(nèi)留下一些帶負(fù)電的電荷，同樣，在交界面附近的N區(qū)留下帶正電的電荷。這個(gè)交界面附近的空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為內(nèi)電場(chǎng)，它的方向是由N區(qū)指向P區(qū)。在這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)和N區(qū)的少子會(huì)順著內(nèi)電場(chǎng)的方向進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，最終當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，空間電荷區(qū)也就是PN結(jié)的寬度是一定的。2.PN結(jié)的性質(zhì)當(dāng)給PN結(jié)施加正向電壓時(shí)，即外電源的正極接在P區(qū)上，外電源的負(fù)極接在N區(qū)上，將這種接法稱為正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。這時(shí)電源產(chǎn)生的外電場(chǎng)與PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向相反，使得原來(lái)PN結(jié)內(nèi)部擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)被破壞，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被加強(qiáng)，少子的漂移運(yùn)動(dòng)被削弱，最終會(huì)形成較大的從P區(qū)穿過(guò)PN結(jié)流向N區(qū)的電流，將這個(gè)電流稱之為正向電流。此時(shí)，PN結(jié)的寬度變窄，呈現(xiàn)的電阻較低，即PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。

6.1.3PN結(jié)的形成與性質(zhì)當(dāng)給PN結(jié)施加反向電壓時(shí)，即外電源的正極接在N區(qū)上，外電源的負(fù)極接在P區(qū)上，將這種接法稱為反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏。這時(shí)電源產(chǎn)生的外電場(chǎng)與PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向相同，使得原來(lái)PN結(jié)內(nèi)部擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)被破壞，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被大大削弱，少子的漂移運(yùn)動(dòng)被加強(qiáng)，但常溫下半導(dǎo)體少子的數(shù)量本來(lái)就很少，這個(gè)由N區(qū)穿過(guò)PN結(jié)流向P區(qū)的漂移電流很小，近似等于零，將這個(gè)電流稱之為反向電流。此時(shí)，PN結(jié)的寬度變