汽车电工电子技术课件 任务1半导体基础知识

6.1半导体基础知识演讲人

6.1.1半导体材料的性质1.半导体的导电能力自然界中的物质，按照导电能力的好坏，一般分为导体、半导体和绝缘体三类。导体是指电阻率很低、很容易导电的物质，大多数金属材料都是导体，代表性导体材料有铜、铝、银等。因为导体的最外层电子很容易脱离原子核的束缚成为自由电子，若有外电场的作用电子可以定向移动形成电流，因此导体是靠带负电的自由电子导电的；绝缘体是指电阻率很大、一般不导电的物质，代表性材料有塑料、橡胶、陶瓷、惰性气体等。因为绝缘体的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有当外电场强到相当程度时才可能变得导电，此时称为绝缘击穿；半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，代表性的半导体材料有：硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。

6.1.1半导体材料的性质2.半导体的晶体结构与载流子将完全纯净的半导体称为本征半导体，它具有单晶体结构，如图6.1所示，在本征半导体中，每一个原子与相邻的四个原子结合形成共价键，共用一对价电子，此时，每个原子的最外层结构由4个电子变成了8个电子，构成了稳定结构，具有很强的结合力。常温下本征半导体的自由电子很少，因此其导电能力很差。当获得一定热能后，共价键中的价电子能挣脱原子核的束缚而成为自由电子，此时，共价键中对应留出的空位置称为空穴，空穴带正电。自由电子和空穴总是成对出现的，它们都能参与半导体的导电，称为载流子。图6.1半导体的共价键结构

6.1.1半导体材料的性质3.半导体的性质通过实验发现，半导体的导电能力实际上可以通过以下几种方法大大提高，这就是半导体的性质。（1）热敏性。温度升高，半导体内部载流子的数目变多，其导电能力大增强，即半导体对温度非常敏感，利用这一点可以制成各种各样的热敏元件，如汽车电路中用到的发动机水温传感器就是一种热敏电阻。（2）光敏性。当半导体接收到的光照加强时，其导电能力大大增强，利用这一点可以制成各种各样的光敏元件，如汽车电路中的自动空调系统所用的日照强度传感器就是一种光敏元件。（3）掺杂性。在纯净的半导体中，掺入微量的杂质，某种载流子（电子或空穴）的浓度会大大增加，其导电能力能增强几十万甚至几百万倍。综上所述，半导体的导电能力实际上是可以控制的，在不同的场合下，可以让其成为导体或绝缘体。

6.1.2P型半导体与N型半导体实验表明，在本征半导体中适当地掺入微量的某种元素，这将使掺杂后的半导体要么自由电子的数量显著变多，要么空穴的数量显著变多，制成了具有特定导电性能的的掺杂半导体，其导电性能大大增强。1.P型半导体常用的半导体材料硅或锗都是四价元素，在其单晶体结构中掺入微量的三价元素如硼后，硼原子的最外层只有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键结构时需要四个价电子，其缺少的一个价电子就会使半导体原子产生一个空穴，于是，这种半导体中的空穴数量大幅增加，导电性能明显增强。在这种半导体中，空穴是多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子），也就是说空穴导电成为主要的导电方式，因此将这种半导体称为空穴半导体。因空穴是带正电的，又被称为P型半导体。

6.1.2P型半导体与N型半导体2.N型半导体在半导体单晶体结构中掺入微量的五价元素如磷后，磷原子的最外层有五个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键结构时只需要四个价电子，其多出的一个价电子就会很容易脱离原子核的束缚而成为自由电子，于是，这种半导体中的自由电子数量大幅增加，导电性能明显增强。在这种半导体中，自由电子变成了多数载流子，空穴是少数载流子，也就是说自由电子导电成为主要的导电方式，因此将这种半导体称为电子半导体。因电子是带负电的，又被称为N型半导体。值得注意的是，在P型半导体和N型半导体中，虽然一种载流子的数量远远大于另外一种，但两种导电方式仍然同时存在，只是以其中一种为主导。另外，P型半导体和N型半导体对外仍然呈现电中性，这是因为半导体原子本身以及掺入的杂质元素中的每一个原子原本是不带电的。

6.1.3PN结的形成与性质1.PN结的形成一块单独的P型或N型半导体，将它接入电路中，只相当于一个导电性能较好的电阻，并不是半导体器件。如图6.2所示，通常是在一块完整的半导体基片上，采用特殊的工艺方法，使其两边分别掺入不同杂质，各自形成P型半导体和N型半导体，当内部载流子的运动达到动态平衡后，在两种半导体的交界面处会形成一个空间电荷区，这个空间电荷区是一个可以导电的薄层，将其称为PN结，PN结是构成半导体器件的基础。图6.2PN结的形成

6.1.3PN结的形成与性质当PN结不施加外加电压时，由于半导体单晶体两边的载流子浓度的差异，P区和N区的多子会分别向对方扩散，扩散的结果是在交界面处附近的P区薄层内留下一些带负电的电荷，同样，在交界面附近的N区留下带正电的电荷。这个交界面附近的空间电荷区产生的电场称为内电场，它的方向是由N区指向P区。在这个内电场的作用下，P区和N区的少子会顺着内电场的方向进行漂移运动，同时内电场对多子的扩散运动起阻碍作用，最终当扩散运动和漂移运动达到动态平衡后，空间电荷区也就是PN结的宽度是一定的。2.PN结的性质当给PN结施加正向电压时，即外电源的正极接在P区上，外电源的负极接在N区上，将这种接法称为正向偏置，简称正偏。这时电源产生的外电场与PN结的内电场方向相反，使得原来PN结内部扩散运动与漂移运动之间的动态平衡状态被破坏，多子的扩散运动被加强，少子的漂移运动被削弱，最终会形成较大的从P区穿过PN结流向N区的电流，将这个电流称之为正向电流。此时，PN结的宽度变窄，呈现的电阻较低，即PN结处于正向导通状态。

6.1.3PN结的形成与性质当给PN结施加反向电压时，即外电源的正极接在N区上，外电源的负极接在P区上，将这种接法称为反向偏置，简称反偏。这时电源产生的外电场与PN结的内电场方向相同，使得原来PN结内部扩散运动与漂移运动之间的动态平衡状态被破坏，多子的扩散运动被大大削弱，少子的漂移运动被加强，但常温下半导体少子的数量本来就很少，这个由N区穿过PN结流向P区的漂移电流很小，近似等于零，将这个电流称之为反向电流。此时，PN结的宽度变