半导体工作原理.ppt

—元素周期表含有多个核外电子的原子中,电子运动的主要区域离核有远有近,在离核较近的区域运动的电子能量较低,在离核较远的区域运动的电子能量较高,即电子在原子核外的分层排列的,把核外电子运动的不同区域看成不同的电子层,各电子层由内向外的序数n依次为1、2、3、…,分别称为K、L、M、N、O、…电子层。,钠原子核外有11个电子,分别处于K、L、M电子层中,排布在最外层的1个电子能量最高Na+11281电力电子技术与应用3半导体工作原理13Al(铝)14Si(硅)15P(磷)10Ne(氖)+1028+13283+14284+15285科学研究证明:核外电子总是从能量最低的K层开始向外排列,而且各层能容纳的电子数为2n2,而且最外电子层最多只能容纳8个电子,若K层为最外层是,最多只能容纳2个电子。氖的最外电子层已经填满,形成稳定结构。+33价电子+44+55三价元素四价元素五价元素惯性核电力电子技术与应用4化学键:物质中直接相邻的原子或离子之间存在的强烈的相互作用力。(1)离子键:活泼的金属和活泼的非金属化合时,金属容易失去最外层的电子形成阳离子,非金属容易结合电子形成阴离子,它们之间可以通过电子转移,分别形成阳离子和阴离子,这样许多的阴、阳离子通过静电作用形成离子化合物→使带相反电荷的阴、阳离子结合的互相作用力——离子键。882+17+1128Na+Cl-半导体工作原理Na+11281Cl872+17电力电子技术与应用5OSiO(2)共价键:两种非金属相互化合时,原子间共用最外层的电子形成共用电子对以达到稳定的电子层结构,共用电子对同时受到两个原子核的吸引→原子间通过共用电子对所形成的强烈的互相作用力——共价键。14Si(硅)+14284SiO2(二氧化硅)+6268O(氧)+322841832Ge(锗)14Si(硅)+14284硅和锗都是晶体,它们的原子都是有规则地排列着,并通过由价电子组成的共价键把相邻的原子牢固地联系在一起。硅和锗中的每个原子均和相邻四个原子构成四个共价键。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单晶称为本征半导体,它们是制造半导体器件的基本材料。半导体工作原理电力电子技术与应用7?本征激发和复合一块本征半导体,在热力学温度T=0K(K为开尔文)和没有外界影响的条件下,它的价电子均束缚在共价键中,不存在自由运动的电子。但当温度升高或受到光线照射时,某些共价键中的价电子从外界获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚,离开原子而成为自由电子(FreeElectron),同时,在共价键中留下了相同数量的空位,这种现象称为本征激发。当共价键申留下空位时,相应原子就带有一个电子电荷量的正电,邻近共价键中的价电子受它的作用很容易跳过去填补这个空位,这样,空位便转移到邻近共价键中去;而后新的空位又被其相邻的价电子填补。这种过程持续进行下去,就相当于一个空位在晶格中移动。半导体工作原理电力电子技术与应用8①②③半导体工作原理电力电子技术与应用9由于带负电荷的价电子依次填补空位的作用与带正电荷的粒子作反方向运动的效果相同,因此,可以把空位看作带正电荷的载流子,并把它称为空穴。可见,半导体借以导电的载流子比导体多了一种空穴,换句话说,半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的物质。本征激发产生的两种载流子总是成对出现的。实际上,在自由电子—空穴对产生过程中还同时存在着复合过程,这就是自由电子在热骚动过程中和空穴相遇而释放能量,造成自由电子—空穴对消失的过程。半导体工作原理电力电子技术与应用10在本征半导体中,掺入一定量的杂质元素,就成为杂质半导体。按掺入的杂质不同,杂质半导体分为N型和P型两种。若掺入五价元素的杂质(磷、锑或***等),则可使晶体申的自由电子浓度大大增加,故将这种杂质半导体称为N型或电子型半导体。若掺入三价元素的杂质(硼、嫁、铜或铝等),则可使晶体中的空穴浓度大大增加,故将这种半导体称为P型或空穴型半导体。