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【二極管】第一講:半導體結構特性綜合概述

大家好,這里是萌萌老師的電子元器件基礎講堂,很高興又和大家見面啦!


在上一次的課堂中我們學習了有關電感的知識,在接下來這一個單元的學習過程中,萌萌老師將會帶領大家詳細的學習二極管有關知識。本期我們將會重點了解半導體和導體的有關知識,一起來看看吧!


首先,我們需要明白什么是導體

導體的定義導體是指電阻率很小且易于傳導電流的物質。

導體中存在大量可自由移動的帶電粒子稱為載流子。在外電場作用下,載流子作定向運動,形成明顯的電流。在科學及工程上常用利用歐姆來定義某一材料的導電程度。

用通俗點的話解釋,導體是容易導電的物體,即是能夠讓電流通過材料,不容易導電的物體叫絕緣體。例如各種金屬及金屬制品、人體、潮濕的木棒、有雜質的水溶液等都是可以導電的,都是導體,金屬是最常見的一類導體。

QQ截圖20150522161450
金屬制品、有雜質的水溶液都是導體

當然,并不是能導電的物體叫導體,不能導電的物體叫絕緣體,這一點同學們需要注意。


知道了導體是什么,那么什么是半導體呢?

半導體的定義半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料,是一種導電性可受控制,范圍可從絕緣體至導體之間的材料。

物質存在的形式多種多樣,固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導電性差的材料,如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。而半導體,可以簡單的理解為是一種介于導體和絕緣體之間的材料。如常用的晶體管原材料硅、鍺等,都是半導體。

QQ截圖20150522163315
硅(左圖)和鍺(右圖)都是半導體常用的材料


半導體的劃分形式都有哪些?

半導體按照其制造技術可以分為:集成電路器件,分立器件、光電半導體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類,一般來說這些還會被分成小類。

此外還有以應用領域、設計方法等進行分類,雖然不常用,但還是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其規模進行分類的方法。

除了以上兩種劃分方法,業內還有按照其所處理的信號,可以分成模擬、數字、模擬數字混成及功能進行分類的方法。


接下來,我們需要簡單的了解一下半導體的結構

半導體都是由原子構成的。而原子=帶正電的原子核+若干個圍繞著原子核運動的負電子

原子核的正電和圍繞著它的負電子電量相等,整個原子呈電中性

碳族元素中有兩種元素常用于半導體中:硅和鍺。這兩種元素的外層都有4個電子,屬于四價元素,比較穩定,導電能力是低于導體的,但是不高于絕緣體。半導體的導電性與價電子有關。


圖1

硅原子和鍺原子的結構示意圖


圖2

圖為鍺原子核硅原子的簡化模型,正離子使用帶圓的+4符號表示

在硅和鍺晶體中,原子按四角形系統組成晶體點陣。在點陣中,每個院子都處在正四面體的中心,而四個其他原子位于四面體的頂點,每個原子與其相臨原子之間形成共價鍵,公用一對電子這個共價鍵結構式是非常穩定的。


圖3

原子三維結構示意圖

圖4

穩定的共價鍵結構式示意圖


了解了半導體的結構之后,我們來看看半導體是如何導電的吧!(半導體的導電機理)

在看導電機理之前,我們首先要看一個概念:載流子。

載流子的定義:可以運動的帶電粒子就是載流子。

在沒有獲取外界的能量之前,硅、鍺原子共價鍵中的價電子被束縛,也沒有刻意運動的載流子,導電能力是0。要導電,就需要獲取能量,比如加熱。獲取能量之后,外層的電子有了能量驅動,運動也就劇烈了,能夠掙脫共價鍵的束縛。一旦脫離了束縛,這個電子就變成了“自由電子”,共價鍵上留下的一個空電子位就叫做“空穴”空穴和自由電子之間是一一對應的關系。束縛電子獲得能量掙脫束縛,變成了自由電子,剩下了空穴。


圖5

自由電子和空穴的示意圖

溫度越高,收到的熱激發就越強,在這里也可以稱為本征激發越強,得到的自由電子數目就越多。如果半導體外界有一定的電場的化,自由電子就會受到電場的吸引而移動,于是就會形成電流,半導體就可以導電了。


半導體的特點

半導體有以下共同特點:

1.半導體的導電能力介于導體與絕緣體之間(單向導電性)。

2.半導體受外界光和熱的刺激時,其導電能力將會有顯著變化。

3.在純凈半導體中,加入微量的雜質,其導電能力會急劇增強。

半導體的五大特性摻雜性,熱敏性,光敏性,負電阻率溫度特性,整流特性


半導體的類型

半導體主要有3種類型:本征半導體、N型半導體和P型半導體

1、本征半導體

純凈的半導體被稱為本征半導體,它的導電能力是很弱的,在純凈的半導體中摻入雜質后,電能力會大大加強

2、N型半導體

在純凈半導體中摻入5價雜質(也就是原子核最外層有5個電子的物質,如磷、砷和銻等)后,半導體中會有大量帶負電荷的電子(由于半導體原子核最外層一般只有4個電子,所以可以理解為摻入了5價元素后半導體中的電子數偏多了),這種電子偏多的半導體叫做N型半導體

3、P型半導體

在純凈半導體中摻入3價雜質(如硼、鋁和鎵)后,半導體中電子偏少,有大量的空穴(可以看做正電荷)產生,這種空穴偏多的半導體就叫做P型半導體。


以上就是本次萌萌老師電子元器件基礎的教學內容啦,大家是不是收獲了很多呢?下一期的內容是《二極管的基礎知識與特性參數》各位同學們我們下節課堂再會~

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2015-05-21 17:22
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