半导体

Physics II

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Overview

资料来源:德里克 · 威尔逊Asantha 库雷博士,物理系 & 天文,物理科学学院,加利福尼亚大学,加利福尼亚州欧文市

半导体是其能够进行电流强烈取决于其温度和杂质水平的材料。最常见的半导体材料是晶体硅。最纯净的半导体都不是优秀的导体;为了提高电导率,纯半导体是经常结合或者"掺杂"含杂质。这些杂质是要么捐助方,像磷和砷,捐赠电子对硅或窃取电子从硅的受众,硼、 铝、 等。当受众从硅电子时,他们离开正电荷有效地表现为正电电子的"洞"之称的地区。

当掺杂使孔,是占主导地位的电荷载体材料中,就会形成 p 型半导体。当半导体掺杂这样占主导地位的电荷载流子是电子,就会形成 n 型半导体材料。如人所料,在 p 型半导体和 n 型半导体之间的边界形成 p-n 结。互动的电子和空穴在交界处引起电路元件,如二极管和晶体管所示卓越的行为。这个实验室将探索形式的一种半导体二极管的单 p-n 结的属性。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 物理学精要 II. 半导体. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

交界处之间的 p 型和 n 型材料,电子从 n 型半导体中的捐助杂质结合钻孔时要从 p 型半导体。在 n 型半导体的施主杂质失去一个电子,成为积极的离子。在 p 型受体杂质接受这个电子,形成负离子。耗尽区立即围交界处因而变得缺乏电子和空穴。在耗尽区,n 型材料区域现在充满积极的离子,和 p 型材料由负离子。积极的离子排斥电子从 n 型身边的交界处,而负离子击退从交界处的 p 型一侧孔。从积聚的离子在 p-n 结电场有效地防止电子或空穴流经交界处。

但是,如果强在 p-n 结施加足够的电压,电流可再次流动。如果一个正电压下降是被放置在交界处 (就是从 p 型材料的 n 型材料的电压下降),外加的电场可能能够克服从离子力然后可以推动电子穿过交界处。交界处据说是"前偏"在这种情况下。相反,如果负电压降应用跨交界处 (即,电压从 n 型材料至 p 型材料减少),然后应用的电压额外添加到现有的斥力斥力,从离子,和当前不能流。在此配置中,交界处是"偏见相反"。因此可以只在一个方向通过 p-n 结电流。

肖克利半导体方程描述了当前,流经 p-n 结作为它的温度和电压降的函数在它:

Equation 1(方程 1)

是饱和电流通常在安培 (A)、 e是电子电荷等于 1.602 10-19 Coulombs (C), V是伏特 (V) 二极管上的电压降, n是一个无量纲的参数,从 1 到 2 并占二极管的缺陷 (n = 1 为理想二极管),是玻尔兹曼常数 1.38 10-232公斤的-2 K-1T是二极管温度,000k (K)。饱和电流是仍然设法流甚至当二极管反向偏置的小电流。一个人可以看到当前积极电压呈指数增长与指数受到负电压。也是强的温度依赖性。高温度降低电流,和低的温度下导致电流增加。

Procedure

<>

1.观察形式的一种半导体二极管 p-n 结的行为和测量其电流电压特性曲线。

  1. 获取一个半导体二极管、 LED (发光二极管)、 电源、 两个数字万用表、 1 k ω 电阻、 一些香蕉电缆和连接器和温度计。
  2. 看看半导体二极管。应该有一支乐队,在其一端。带侧是"阴极"。没有乐队,一边是"阳极"。
  3. 请确保电源关闭连接任何电路元件之前。使用香蕉电缆,连接到二极管阳极电阻,一边和另一边的电阻器电源正极端子。然后在此基础上,将一个万用表电流表模式连接到了二极管的阴极,安培计的其他终端连接到电源,完成电路的负极端子。
  4. 房间的温度记录。
  5. 设置电源生成 5 V 直流电压,然后将其打开。
  6. 放的二极管和负铅对阴极阳极的万用表的积极的主导作用。
  7. 在此配置中,二极管被认为是向前有偏见的所以应该有电流流过该电路,和万用表应该显示的电压。记录的电压和电流,万用表显示。
  8. 调整电源来生成不同的电压。记录的电压和电流读数从两个万用表,应跨和与二极管串联的情况下,仍然可以连接。
  9. 重复前面的步骤多次的电压范围。在每次重复以及记录环境的温度。
  10. 除去万用表并关闭电源。虽然这些电压不处于危险的级别,它往往是最安全的方式处理电路元件时关闭电源。
  11. 保持所有的连接和设置相同,除了翻转的二极管。阴极与阳极以前连接位置,或反之亦然阳极现在相连。
  12. 重新打开电源并重新连接万用表跨二极管,以积极的主导作用的万用表的二极管阳极和阴极负领先。
  13. 记录新的电压和电流显示。它可能需要调整万用表的灵敏度。二极管是现在反偏,只将允许一个微小的电流流过电路。
  14. 使用肖克利半导体方程来计算电压的函数作为二极管的电流通过二极管、 二极管温度。假设= 4 10-10 A.
  15. 关闭电源和二极管换成 LED。
  16. LED 将有两个针脚。长针是阳极,和短针是阴极。观察 LED 在正向偏置和反向偏置的配置。
  17. 请注意,以来唯一电流时指示灯是前偏,LED 只会淡在前偏配置时将会黑暗中的反向偏置的配置。

半导体广泛用于生成电子,全球半导体产业的基础。

半导体是通常具有导电性绝缘体和大多数金属,如铜或金之间的固态物质。最常见的半导体材料是晶体硅,可在薄、 抛光硅片的形式。

有两种主要类型的半导体,p 型和 n 型。这些都被捏造和不同的配置,打造像 p-n 结或 p-n-磷晶体管的半导体器件中彼此相邻。每个配置具有独特的电学性质在不同的电子设备中有用。

这个视频将介绍半导体材料的基本原则和形式的一个二极管 p-n 结的属性。下一步,它将说明一步一步的协议来表征一个二极管,其次是半导体的一些实际应用。

最纯的或内在的半导体,如硅,都不是优秀的电导体。这是因为每个硅原子有其价或最外层壳中的四个电子。它与相邻的硅原子形成共价键,创建没有自由电子的晶格结构对共享这些电子。因此半导体是更导电杂质,加入过程进行了也称为掺杂,形成掺杂或非本征半导体。

这些杂质有两种类型: 捐助者和受众。"捐助者",像磷和砷,有五个电子,在他们的价壳层。其中四个用来形成共价键与相邻的硅原子。剩余的一个电子可以自由地通过晶格移动。这种类型的掺杂半导体,电子是占主导地位的电荷载流子,称为 n 型半导体材料。

现在如果杂质是一种受体分子,像硼或铝,结果是不同的。这些受体有只有三个电子,在他们的价壳层。因此,当承兑人原子形成债券与周围的硅原子,它留下正电荷称为有效地表现为正电电子的"洞"区域。这个洞是现在自由移动穿梭的格子。这种类型的掺杂半导体,洞中大多数的电荷载流子,称为 p 型半导体。

现在,当单个半导体晶体或硅片上的一个区域掺杂施主原子和相邻区域掺入受主原子,形成 p-n 结。P 和 n 地区之间的接口称为交界处边界。

在交界处的边界,n 区的过剩电子漫向 p 区,和 p 区的过剩孔同时向 n 区弥漫性。

由于这种扩散,施主原子 n 地区成为不动的正离子,而受主原子在 p 区成为不动的负电的离子。因此,在 p 和 n 地区之间的界限,耗尽区",是缺乏在移动电子和形成孔。

在 p 型耗尽区负离子击退从 n 区扩散到 p 区,而 n 型耗尽区中的正离子击退从 p 区向 n 区扩散的孔的电子。

换句话说,从积聚的离子在耗尽区电场有效地阻止电流从流经交界处。然而,当前可通过施加一个电压,过路口再次流动。

如果应用了很积极的压降,也被称为"向前偏见",耗尽区宽度减小,降低该区域的电场作用下,由于其中电子和空穴跳不过去的交界处,和因而配置电流流过。

相反,如果在交界处施加一个负电压降,称为"反向偏置",然后耗尽区宽度增大。这反过来增加了该区域的电场强度和电子的流动阻力和孔跨交界处。

因此仅在通过 p-n 结的一个方向流过的电流。肖克利半导体方程可以用于计算此电流作为二极管的电压降和温度的函数。在这里,'e' 是电子的电荷,n 是如何真正的二极管执行相对理想二极管的特点理想因子、 'Kb' 是玻尔兹曼常数,和 '功课 ' 相对来说是小的泄漏电流流经该设备,即使它是反向偏置。

在完成了基础知识,让我们现在审查一步一步的协议来表征 p-n 结。第一次获得必要的材料和文书,即半导体二极管、 发光二极管或 LED、 电源、 两个数字万用表、 1 公斤欧姆电阻、 一些香蕉电缆和连接器和温度计。

看看半导体二极管和验证有一个红色的终端和一个黑色的终端。黑色的终端所谓的阴极和红色终端是阳极。

接下来,连接电阻串联的二极管阳极。然后,使用香蕉缆线,将电源的正极端子连接到电阻无关结束。下一次连接二极管的阴极电流表正极端子和安培计的负面终端到电源完成电路,完成电路的负极端子。

该二极管现在是前偏。房间的温度记录。接下来,设置电源养活 + 5 伏直流电流通过电路。

二极管是前偏,应该是通过电路,电流和电压下降二极管两端。

接下来,连接积极的主导作用的第二个万用表了二极管的阳极和阴极负领先。确保万用表处于电压表模式和测量的电压降。此外请注意当前记录由安培计。

现在,调整电源生成不同的电压和使用电压表和通过使用电流表的电流二极管两端记录相应下降。

而且在此基础上,注意每个阅读,环境温度,对二极管电压范围重复议定书 》。

一旦所有的测量记录,断开电压表和关闭电源。保持一切相同,翻转二极管的阳极和阴极连接现在颠倒,二极管在反向偏压模式连接。

打开电源,并重新电压表连接跨二极管,用万用表相连的二极管和消极导致阴极阳极积极的主导作用。

记录通过二极管、 温度及电流流过二极管电压范围为二极管的电压降。关闭电源并断开连接的二极管。

最后,连接 LED 代替二极管,并观察 LED 在正向和反向偏置配置范围的电压下降。

随着议定书 》 现在完成,让我们回顾一下两者的结果使用二极管和 LED 的正向和逆向偏压试验。首先,计算各种电压二极管电流通过滴眼液使用肖克利半导体方程和制造商提供异口同声值。例如,293 开尔文温度,测量的二极管电压为 555 毫电子伏特,可以计算流过二极管的电流要 0.913 毫安培。

在表中列出与连接在正向和反向偏置的二极管电路测量典型结果。计算结果与实测电流绘制为测量的二极管电压的函数。这被称为"特性曲线"的二极管。

故事情节反映了指数的依赖性的实测和计算电流二极管电压。具体来说,它被观察时,二极管正向偏置,它允许电流流过。

但当二极管反向偏颇,没有电流流过,有效地使它只允许电流在一个方向阀。仍设法流,甚至当二极管反向偏置,微小的电流是饱和电流。

半导体形成从简单的 Led 用于到复杂的超级计算机,用于科学数据处理目的我们电视显示整个电子产业的基础。

半导体是习惯不仅生成 p-n 结二极管,但也是 n-p-n 的晶体管或 n p 结。这些晶体管是所有现代电子学的基础,他们可以用来构造逻辑门,这是不可以执行与、 或、 基本布尔逻辑运算的电路和 nand 闪存。可以组合这些逻辑操作,根据需要执行更复杂的操作,例如数字的加法和乘法。它甚至可以用于生成计算机的处理器和内存。

半导体材料也可以用于在光学电子产生光的应用程序。例如,发光二极管或 LED 是发光时激活的 p-n 结。当一个合适的电压适用于它时,电子重组与洞内的设备,能量以光的形式释放。

由半导体制成的发光二极管是比传统的白炽灯泡更多节能型光源。因此,Led 在应用程序环境和任务照明、 电子显示和先进的通信技术。

你刚看了半导体的朱庇特的简介。现在,您应该了解原则、 运作方式和 p-n 结特性半导体基础的知识。谢谢观赏 !

Results

典型电路测量结果如表 1所示。肖克利半导体方程描述流过二极管的电流作为二极管和电压降的温度函数越过它。温度的 293.0 555 mV 跨二极管,和任意 (但代表) 电压理想因子 K 的 n = 1.5,

Equation 2
Equation 3
Equation 4

为所有测电压计算流过二极管的电流。(当前作为电压的函数) 二极管的特性曲线绘制在图 1中。清楚地看到当前指数依赖电压。当在前偏二极管允许电流流动。当反向偏置,只有微观的饱和电流可以流动,有效地使二极管只允许电流在一个方向阀。

表 1: 结果。

测量的电压 (V) 测得的温度 (K) 被测电流

(马)

计算出的电流 (mA)
0.555 之间 293.0 0.372 0.913
0.617 293.1 181.3 4.66
0.701 293.1 114.67 42.7
-0.523 293.2 0.0014 -4 * 10-7
-0.620 293.0 0.0011 -4 * 10-7
-0.695 292.9 0.0008 -4 * 10-7

Figure 1
图 1:从肖克利半导体方程的理论点是蓝色。测量的数据点为红色。N 任意理想因子 = 1.5 肖克利半导体方程中使用。如果二极管的真正理想因素已知,实测值与理论值之间的差异可能会消失。

Applications and Summary

这个实验室探索半导体和形式的一种半导体二极管 p-n 结的属性。二极管是组成一个 p-n 结的电路元件。测定了二极管的特性曲线,并观察二极管进行电流只在一个方向。LED 包含一种特殊的发光除了进行单向的 p-n 结。

半导体电子工业中广泛使用。半导体二极管包含只单的 p-n 结,而晶体管由 n-p-n 和 p-n-磷的路口;那就是,两个 p-n 结直接彼此相邻。半导体晶体管是几乎所有现代电子学的基础。他们可以用来构造逻辑门,这是不可以执行与、 或、 基本布尔逻辑运算的电路和 nand 闪存。这些逻辑操作可以组合以执行更复杂的操作,例如加法和乘法,和甚至可以用于生成计算机的处理器和内存。由半导体制成的发光二极管是比传统的白炽灯泡更多节能型光源。

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1.观察形式的一种半导体二极管 p-n 结的行为和测量其电流电压特性曲线。

  1. 获取一个半导体二极管、 LED (发光二极管)、 电源、 两个数字万用表、 1 k ω 电阻、 一些香蕉电缆和连接器和温度计。
  2. 看看半导体二极管。应该有一支乐队,在其一端。带侧是"阴极"。没有乐队,一边是"阳极"。
  3. 请确保电源关闭连接任何电路元件之前。使用香蕉电缆,连接到二极管阳极电阻,一边和另一边的电阻器电源正极端子。然后在此基础上,将一个万用表电流表模式连接到了二极管的阴极,安培计的其他终端连接到电源,完成电路的负极端子。
  4. 房间的温度记录。
  5. 设置电源生成 5 V 直流电压,然后将其打开。
  6. 放的二极管和负铅对阴极阳极的万用表的积极的主导作用。
  7. 在此配置中,二极管被认为是向前有偏见的所以应该有电流流过该电路,和万用表应该显示的电压。记录的电压和电流,万用表显示。
  8. 调整电源来生成不同的电压。记录的电压和电流读数从两个万用表,应跨和与二极管串联的情况下,仍然可以连接。
  9. 重复前面的步骤多次的电压范围。在每次重复以及记录环境的温度。
  10. 除去万用表并关闭电源。虽然这些电压不处于危险的级别,它往往是最安全的方式处理电路元件时关闭电源。
  11. 保持所有的连接和设置相同,除了翻转的二极管。阴极与阳极以前连接位置,或反之亦然阳极现在相连。
  12. 重新打开电源并重新连接万用表跨二极管,以积极的主导作用的万用表的二极管阳极和阴极负领先。
  13. 记录新的电压和电流显示。它可能需要调整万用表的灵敏度。二极管是现在反偏,只将允许一个微小的电流流过电路。
  14. 使用肖克利半导体方程来计算电压的函数作为二极管的电流通过二极管、 二极管温度。假设= 4 10-10 A.
  15. 关闭电源和二极管换成 LED。
  16. LED 将有两个针脚。长针是阳极,和短针是阴极。观察 LED 在正向偏置和反向偏置的配置。
  17. 请注意,以来唯一电流时指示灯是前偏,LED 只会淡在前偏配置时将会黑暗中的反向偏置的配置。

半导体广泛用于生成电子,全球半导体产业的基础。

半导体是通常具有导电性绝缘体和大多数金属,如铜或金之间的固态物质。最常见的半导体材料是晶体硅,可在薄、 抛光硅片的形式。

有两种主要类型的半导体,p 型和 n 型。这些都被捏造和不同的配置,打造像 p-n 结或 p-n-磷晶体管的半导体器件中彼此相邻。每个配置具有独特的电学性质在不同的电子设备中有用。

这个视频将介绍半导体材料的基本原则和形式的一个二极管 p-n 结的属性。下一步,它将说明一步一步的协议来表征一个二极管,其次是半导体的一些实际应用。

最纯的或内在的半导体,如硅,都不是优秀的电导体。这是因为每个硅原子有其价或最外层壳中的四个电子。它与相邻的硅原子形成共价键,创建没有自由电子的晶格结构对共享这些电子。因此半导体是更导电杂质,加入过程进行了也称为掺杂,形成掺杂或非本征半导体。

这些杂质有两种类型: 捐助者和受众。"捐助者",像磷和砷,有五个电子,在他们的价壳层。其中四个用来形成共价键与相邻的硅原子。剩余的一个电子可以自由地通过晶格移动。这种类型的掺杂半导体,电子是占主导地位的电荷载流子,称为 n 型半导体材料。

现在如果杂质是一种受体分子,像硼或铝,结果是不同的。这些受体有只有三个电子,在他们的价壳层。因此,当承兑人原子形成债券与周围的硅原子,它留下正电荷称为有效地表现为正电电子的"洞"区域。这个洞是现在自由移动穿梭的格子。这种类型的掺杂半导体,洞中大多数的电荷载流子,称为 p 型半导体。

现在,当单个半导体晶体或硅片上的一个区域掺杂施主原子和相邻区域掺入受主原子,形成 p-n 结。P 和 n 地区之间的接口称为交界处边界。

在交界处的边界,n 区的过剩电子漫向 p 区,和 p 区的过剩孔同时向 n 区弥漫性。

由于这种扩散,施主原子 n 地区成为不动的正离子,而受主原子在 p 区成为不动的负电的离子。因此,在 p 和 n 地区之间的界限,耗尽区",是缺乏在移动电子和形成孔。

在 p 型耗尽区负离子击退从 n 区扩散到 p 区,而 n 型耗尽区中的正离子击退从 p 区向 n 区扩散的孔的电子。

换句话说,从积聚的离子在耗尽区电场有效地阻止电流从流经交界处。然而,当前可通过施加一个电压,过路口再次流动。

如果应用了很积极的压降,也被称为"向前偏见",耗尽区宽度减小,降低该区域的电场作用下,由于其中电子和空穴跳不过去的交界处,和因而配置电流流过。

相反,如果在交界处施加一个负电压降,称为"反向偏置",然后耗尽区宽度增大。这反过来增加了该区域的电场强度和电子的流动阻力和孔跨交界处。

因此仅在通过 p-n 结的一个方向流过的电流。肖克利半导体方程可以用于计算此电流作为二极管的电压降和温度的函数。在这里,'e' 是电子的电荷,n 是如何真正的二极管执行相对理想二极管的特点理想因子、 'Kb' 是玻尔兹曼常数,和 '功课 ' 相对来说是小的泄漏电流流经该设备,即使它是反向偏置。

在完成了基础知识,让我们现在审查一步一步的协议来表征 p-n 结。第一次获得必要的材料和文书,即半导体二极管、 发光二极管或 LED、 电源、 两个数字万用表、 1 公斤欧姆电阻、 一些香蕉电缆和连接器和温度计。

看看半导体二极管和验证有一个红色的终端和一个黑色的终端。黑色的终端所谓的阴极和红色终端是阳极。

接下来,连接电阻串联的二极管阳极。然后,使用香蕉缆线,将电源的正极端子连接到电阻无关结束。下一次连接二极管的阴极电流表正极端子和安培计的负面终端到电源完成电路,完成电路的负极端子。

该二极管现在是前偏。房间的温度记录。接下来,设置电源养活 + 5 伏直流电流通过电路。

二极管是前偏,应该是通过电路,电流和电压下降二极管两端。

接下来,连接积极的主导作用的第二个万用表了二极管的阳极和阴极负领先。确保万用表处于电压表模式和测量的电压降。此外请注意当前记录由安培计。

现在,调整电源生成不同的电压和使用电压表和通过使用电流表的电流二极管两端记录相应下降。

而且在此基础上,注意每个阅读,环境温度,对二极管电压范围重复议定书 》。

一旦所有的测量记录,断开电压表和关闭电源。保持一切相同,翻转二极管的阳极和阴极连接现在颠倒,二极管在反向偏压模式连接。

打开电源,并重新电压表连接跨二极管,用万用表相连的二极管和消极导致阴极阳极积极的主导作用。

记录通过二极管、 温度及电流流过二极管电压范围为二极管的电压降。关闭电源并断开连接的二极管。

最后,连接 LED 代替二极管,并观察 LED 在正向和反向偏置配置范围的电压下降。

随着议定书 》 现在完成,让我们回顾一下两者的结果使用二极管和 LED 的正向和逆向偏压试验。首先,计算各种电压二极管电流通过滴眼液使用肖克利半导体方程和制造商提供异口同声值。例如,293 开尔文温度,测量的二极管电压为 555 毫电子伏特,可以计算流过二极管的电流要 0.913 毫安培。

在表中列出与连接在正向和反向偏置的二极管电路测量典型结果。计算结果与实测电流绘制为测量的二极管电压的函数。这被称为"特性曲线"的二极管。

故事情节反映了指数的依赖性的实测和计算电流二极管电压。具体来说,它被观察时,二极管正向偏置,它允许电流流过。

但当二极管反向偏颇,没有电流流过,有效地使它只允许电流在一个方向阀。仍设法流,甚至当二极管反向偏置,微小的电流是饱和电流。

半导体形成从简单的 Led 用于到复杂的超级计算机,用于科学数据处理目的我们电视显示整个电子产业的基础。

半导体是习惯不仅生成 p-n 结二极管,但也是 n-p-n 的晶体管或 n p 结。这些晶体管是所有现代电子学的基础,他们可以用来构造逻辑门,这是不可以执行与、 或、 基本布尔逻辑运算的电路和 nand 闪存。可以组合这些逻辑操作,根据需要执行更复杂的操作,例如数字的加法和乘法。它甚至可以用于生成计算机的处理器和内存。

半导体材料也可以用于在光学电子产生光的应用程序。例如,发光二极管或 LED 是发光时激活的 p-n 结。当一个合适的电压适用于它时,电子重组与洞内的设备,能量以光的形式释放。

由半导体制成的发光二极管是比传统的白炽灯泡更多节能型光源。因此,Led 在应用程序环境和任务照明、 电子显示和先进的通信技术。

你刚看了半导体的朱庇特的简介。现在,您应该了解原则、 运作方式和 p-n 结特性半导体基础的知识。谢谢观赏 !

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