第七章 半导体器件
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电工学少学时第三版 张南主编 课后练习答案 第七章_半导体器件修改
下篇:电子技术
第七章半导体器件
7．1基本要求
（1）掌握PN结的单向导电性。
（2）熟悉二极管、稳压管、三极管、场效应管的基本结构、特性曲线和主要参数。
（3）学会分析整流及滤波电路，并对其进行简单的计算。
（4）掌握晶体三极管的电流分配和放大作用。
7．2基本内容
7.2.1PN结与二极管
P型半导体和N型半导体的结合形成PN结。
内部结构条件——发射区高掺杂，其中多数载流子浓度很高；基区很薄，且低掺杂，则基区中多子的浓度很低。
外部条件——外加电源极性应使发射结正向偏置，集电结反向偏置。
在满足上述条件的前提下，三极管中载流子的运动经历发射、复合和扩散以及收集等过程，最后，使三极管中的电流分配符合以下关系：
，且
当基极电流 发生微小的变化时，相应的集电极电流 将有较大的变化，集电极电流的变化量 比基极电流的变化量 大 倍，即
实际二极管：正向电压超过二极管的死区电压（硅：0.5V；锗：0.1V），二极管才能导通。一旦导通，二极管有一定正向电压降（硅：0.6~0.7V；锗：0.2~0.3V）。二极管反向截止，反向电流IR≠0。
主要参数：最大整流电流、反向工作峰值电压。
7.2.2．整流电路
整流就是利用二极管单向导电特性，将交流电转变为直流电的过程。整流二极管可视为理想二极管。在分析整流电路时，应抓住“二极管在正向电压作用下导通，而在反向电压作用下截止”这个基本点，并且弄清楚在交流正半周和负半周期间电流的通路方向，从而确定负载电压的+、-极性。整流电路以桥式电路用的最多。
7.3.2．三极管的放大作用
从三极管的结构看，由NPN和PNP两种类型。但是，无论哪一种类型，管子内部都有三个区、两个PN结，并引出三个电极。三个区——发射区、基区和集电区；两个PN结——发射结和集电结；三个电极——发射极e、基极b和集电极c。
第七章半导体器件
7．1基本要求
（1）掌握PN结的单向导电性。
（2）熟悉二极管、稳压管、三极管、场效应管的基本结构、特性曲线和主要参数。
（3）学会分析整流及滤波电路，并对其进行简单的计算。
（4）掌握晶体三极管的电流分配和放大作用。
7．2基本内容
7.2.1PN结与二极管
P型半导体和N型半导体的结合形成PN结。
内部结构条件——发射区高掺杂，其中多数载流子浓度很高；基区很薄，且低掺杂，则基区中多子的浓度很低。
外部条件——外加电源极性应使发射结正向偏置，集电结反向偏置。
在满足上述条件的前提下，三极管中载流子的运动经历发射、复合和扩散以及收集等过程，最后，使三极管中的电流分配符合以下关系：
，且
当基极电流 发生微小的变化时，相应的集电极电流 将有较大的变化，集电极电流的变化量 比基极电流的变化量 大 倍，即
实际二极管：正向电压超过二极管的死区电压（硅：0.5V；锗：0.1V），二极管才能导通。一旦导通，二极管有一定正向电压降（硅：0.6~0.7V；锗：0.2~0.3V）。二极管反向截止，反向电流IR≠0。
主要参数：最大整流电流、反向工作峰值电压。
7.2.2．整流电路
整流就是利用二极管单向导电特性，将交流电转变为直流电的过程。整流二极管可视为理想二极管。在分析整流电路时，应抓住“二极管在正向电压作用下导通，而在反向电压作用下截止”这个基本点，并且弄清楚在交流正半周和负半周期间电流的通路方向，从而确定负载电压的+、-极性。整流电路以桥式电路用的最多。
7.3.2．三极管的放大作用
从三极管的结构看，由NPN和PNP两种类型。但是，无论哪一种类型，管子内部都有三个区、两个PN结，并引出三个电极。三个区——发射区、基区和集电区；两个PN结——发射结和集电结；三个电极——发射极e、基极b和集电极c。
半导体物理与器件-第七章 pn结
7.1 pn结的基本结构
冶金结:P区和n区的交界面
突变结 突变结-均匀分布，交界处突变
5
7.1 pn结的基本结构
PN结的形成
Space charge region
空间电荷区＝耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）
6
pn结的形成
Байду номын сангаас.2 零 偏
pn结能带图
7.2.1内建电势差
当两块半导体结合成pn结时，按费米能级的意义，电子将 从费米能级高的n区向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区 ，因而FFn不断下移，且EFp不断上移，直至时FFn = EFp为止；这 时pn结中有统一的费米能级EF，pn结处于热平衡状态。
4、对单边突变结，空间电荷区的宽度W取决于轻掺杂一侧杂质的浓度。
7.2零偏
7.2.3空间电荷区宽度
7.3 反 偏
7.3.1空间电荷区宽度与电场
反偏
与内建电场方向相同
外加偏置电压VR（以P端相对于N端电压为定义方向) 正偏：P端接正；
反偏：P端接负。
EF不再统一
n
16
7.3反偏
V=Vbi+VR
第7章 pn结
本章内容
第7章 pn结 7．1 pn结的基本结构 7．2零偏 7．3反偏 *7．4非均匀掺杂pn结 7．5小结
2
引言
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器 件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件－整 流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其 它半导体器件器件物理的基础。正因为如此， PN结一章在半导 体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四分之 一。
半导体物理 第七章 电荷转移器件 图文
（图7-2b）。存储的电荷寻求更低的电势，因而当势阱移动时它们沿着 表面移动。 3. 注意在这种结构中需要3个电极，以便于电荷存储，并且使转移只沿着一 个方向。这三个电极看成是器件的一个级或单元，称为三相CCD。
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
❖ 小结：
体表面形成由电离受主构成的负的空间电荷区。空间电荷区为耗
尽层。由于不是处于热平衡状态，耗尽层不受热平衡时的最大厚
度的限制，而直接由栅压VG的大小来决定。这时表面势也不受形 成强反型层时ψs=2φf的限制，也直接由VG 的大小来决定。在深 耗尽状态，耗尽层厚度Xd>Xdm，表面势ψs>2φf ，所以称之为深 耗尽状态。
CTD的核心是MOS电容的有序阵列(arrays)加上输 入与输出部分。在栅电极加上时钟脉冲电压时，在 半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱。用 光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势 阱中。通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度 发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子 在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子 的收集和再生得到信号的输出。
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
二、电荷耦合器件——CCD
图7-2 三相CCD动作， p+扩散用来限制沟道 1. 若在图7-2a中，电极2偏置在10V，比它附近两个电极的偏置电压(5V)高，
这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷存储在这个电极下边。 2. 现在让电极3偏置在15V，在电极3下边于是就建立起一个更深的势阱
第七章 电荷转移器件
Charge-Transfer Devices—CTD
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
❖ 小结：
体表面形成由电离受主构成的负的空间电荷区。空间电荷区为耗
尽层。由于不是处于热平衡状态，耗尽层不受热平衡时的最大厚
度的限制，而直接由栅压VG的大小来决定。这时表面势也不受形 成强反型层时ψs=2φf的限制，也直接由VG 的大小来决定。在深 耗尽状态，耗尽层厚度Xd>Xdm，表面势ψs>2φf ，所以称之为深 耗尽状态。
CTD的核心是MOS电容的有序阵列(arrays)加上输 入与输出部分。在栅电极加上时钟脉冲电压时，在 半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱。用 光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势 阱中。通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度 发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子 在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子 的收集和再生得到信号的输出。
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
二、电荷耦合器件——CCD
图7-2 三相CCD动作， p+扩散用来限制沟道 1. 若在图7-2a中，电极2偏置在10V，比它附近两个电极的偏置电压(5V)高，
这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷存储在这个电极下边。 2. 现在让电极3偏置在15V，在电极3下边于是就建立起一个更深的势阱
第七章 电荷转移器件
Charge-Transfer Devices—CTD
半导体器件物理-7
第七章 半导体表面特性及MOS电容
第7章
半导体表面特性及MOS电容
7.1 半导体表面和界面结构 7.2 表面势 7.3 MOS结构的电容—电压特性 7.4 MOS结构的阈值电压 7.5 习题
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
● —— 本章重点
硅-二氧化硅界面中存在的 不利因素和消除措施
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
作业
• P127 2，3，4，5
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
补充基本概念
真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量
功函数[1]：从费米能级到真空能级的能量差
电子亲和势[2]：从半导体表面的导带到真空能级的能量差
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
为了防止和去掉钠离子沾污的影响，除了严格执行 工艺规定防止离子沾污外，提高制备材料（如化学试剂、 气体等）的纯度，改进工艺装备和方法，是获得稳定的 MOS器件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用：磷 稳定化和氯中性化。
磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，扩散中可动 钠离子总是进入氧化层中的富磷区，一旦离子被陷在磷 硅玻璃中，即使回到室温，它仍会保持被陷状态，保证 二氧化硅内碱金属离子最小状态。
表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准 连续。
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容 表面能级密度
单位面积所具有的表面态的数目。cm-2 表面费米能级 (EF)S
载流子填充表面能级的状态。 电子填充带负电； 空穴填充带正电。
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第七章 半导体表面特性及MOS电容 内表面
第7章
半导体表面特性及MOS电容
7.1 半导体表面和界面结构 7.2 表面势 7.3 MOS结构的电容—电压特性 7.4 MOS结构的阈值电压 7.5 习题
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第七章 半导体表面特性及MOS电容
● —— 本章重点
硅-二氧化硅界面中存在的 不利因素和消除措施
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第七章 半导体表面特性及MOS电容
作业
• P127 2，3，4，5
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第七章 半导体表面特性及MOS电容
补充基本概念
真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量
功函数[1]：从费米能级到真空能级的能量差
电子亲和势[2]：从半导体表面的导带到真空能级的能量差
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第七章 半导体表面特性及MOS电容
为了防止和去掉钠离子沾污的影响，除了严格执行 工艺规定防止离子沾污外，提高制备材料（如化学试剂、 气体等）的纯度，改进工艺装备和方法，是获得稳定的 MOS器件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用：磷 稳定化和氯中性化。
磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，扩散中可动 钠离子总是进入氧化层中的富磷区，一旦离子被陷在磷 硅玻璃中，即使回到室温，它仍会保持被陷状态，保证 二氧化硅内碱金属离子最小状态。
表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准 连续。
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第七章 半导体表面特性及MOS电容 表面能级密度
单位面积所具有的表面态的数目。cm-2 表面费米能级 (EF)S
载流子填充表面能级的状态。 电子填充带负电； 空穴填充带正电。
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第七章 半导体表面特性及MOS电容 内表面
第七章 半导体的表面
电荷面密度
Qs rs 0 Es ( n ) 2 rs 0 KT qV o p s F , KT ( p ) qLD 0 p
金属为正时，VG>0，QS为负号 金属为负时，VG<0，QS为正号
空间电荷层的电容
Qs Cs Vs
qVs qVs (n0 ) p exp( ) 1 exp( ) 1 kT ( p ) kT rs 0 0 p Cs LD qVs (n0 ) p F , kT ( p ) 0 p 空间电荷层单位面积上的电容, 单位F/m2
第七章 半导体的表面、 界面及接触现象
半导体表面 半 — 半接触 金 — 半接触
§7.1 半导体的表面
表面对半导体各中物理过程有重要影 响，特别是对许多半导体器件的性能影 响更大。
一、理想表面和实际表面
理想表面： 指表面层中原子排列的对称性与体内原子 完全相同，且表面上不附着任何原子或分 子的半无限晶体表面。
(2) 载流子浓度
体内：EC，EV n0 NC e
Ec EF KT
p0 NV e
空间电荷区 ：
EF EV KT
n( x) NC e
EC ( x ) EF KT
p( x) NV e
EF EV ( x ) KT
V(x)>0，能带向下弯 空间电荷区 ：
EF
qVs KT
2) VG=0，VS=0
平带
Vs 0
ns n0 e q|Vs | p p e KT 0 s
q|Vs | KT
3) VG<0，VS<0
能带上弯，ns < (n0)n 为电子势垒 多子耗尽 4) VG<<0 表面处形成了p型材料， 即反型层 弱反型：ns<ps<(no)n 强反型：ps>(no)n
Qs rs 0 Es ( n ) 2 rs 0 KT qV o p s F , KT ( p ) qLD 0 p
金属为正时，VG>0，QS为负号 金属为负时，VG<0，QS为正号
空间电荷层的电容
Qs Cs Vs
qVs qVs (n0 ) p exp( ) 1 exp( ) 1 kT ( p ) kT rs 0 0 p Cs LD qVs (n0 ) p F , kT ( p ) 0 p 空间电荷层单位面积上的电容, 单位F/m2
第七章 半导体的表面、 界面及接触现象
半导体表面 半 — 半接触 金 — 半接触
§7.1 半导体的表面
表面对半导体各中物理过程有重要影 响，特别是对许多半导体器件的性能影 响更大。
一、理想表面和实际表面
理想表面： 指表面层中原子排列的对称性与体内原子 完全相同，且表面上不附着任何原子或分 子的半无限晶体表面。
(2) 载流子浓度
体内：EC，EV n0 NC e
Ec EF KT
p0 NV e
空间电荷区 ：
EF EV KT
n( x) NC e
EC ( x ) EF KT
p( x) NV e
EF EV ( x ) KT
V(x)>0，能带向下弯 空间电荷区 ：
EF
qVs KT
2) VG=0，VS=0
平带
Vs 0
ns n0 e q|Vs | p p e KT 0 s
q|Vs | KT
3) VG<0，VS<0
能带上弯，ns < (n0)n 为电子势垒 多子耗尽 4) VG<<0 表面处形成了p型材料， 即反型层 弱反型：ns<ps<(no)n 强反型：ps>(no)n
半导体物理与器件 第七章2
半导体物理与器件
空间电荷区的电场增强， 空间电荷区的电场增强，电场强度和电荷的关系仍然如泊 松方程所描述。 松方程所描述。
Emax =
−eN d xn
εs
=
−eN a x p
εs
1/ 2
由于x 增大，因而最大场强也增大。 中的V 由于 n和xp增大，因而最大场强也增大。将xn或xp中的 bi 替换为V 替换为 bi+VR可得到： 可得到：
' 1/ 2
半导体物理与器件
势垒电容和反偏电压有关系： 势垒电容和反偏电压有关系：
2 (Vbi + VR ) 1 ' ≈ eε s N d C
2
可以看到， 可以看到，单边突变 结的C-V特性可以确 结的 特性可以确 定轻掺一侧的掺杂浓 这是C-V法测定 度。这是 法测定 材料掺杂浓度的原理。 材料掺杂浓度的原理。
可以看到，势垒电容的大小与ε 材料）、 ）、V 可以看到，势垒电容的大小与εs(材料）、Vbi（掺杂水 ）、N 及反偏电压等因素有关。 平）、Na、Nd及反偏电压等因素有关。 可以发现： 可以发现： εs ' C = 例7.5
W
这表明势垒电容可以等效为其厚度为空间电荷区宽度的平 板电容
半导体物理与器件
1/ 2
半导体物理与器件
则可以得到： 则可以得到：
dxn dQ ' ' C = = eN d dVR dVR eε s N a N d = 2 (Vbi + VR )( N a + N d )
1/ 2
注意： 注意：势垒电容的 单位是F/cm 单位是F/cm2,即单 位面积电容
2 s 1/ 3
半导体物理与器件第七章1
①空间电荷区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反 比，即空间电荷区主要向杂质浓度低的一侧扩展。
②单边突变结的空间电荷区宽度随低掺杂一边的杂质浓度的增加而 下降，而且内建电势差主要分配在这一区域
当施加外电压时，可推广为：
W
(Vbi
V
)( 2s
e
)(
Na Nd Na Nd
)
7.3 PN结反偏特性
成结后：
电子由n型材料 向p型材料扩散
空穴由p型材料 向n型材料扩散
P区
N区
n区处留下带正 电的施主杂质
p区处留下带负 电的受主杂质
空间电荷区 内建电场
在pn结附近，n区一侧电离施
主形成正电荷区，P区一侧电离受
P
N
主形成负电荷区，两者统称为空 间电荷区，所带电荷为空间电荷
由于空间电荷区中的可动载流
dEFi dx
)
本征费米能级 EFi 与电子的附加电势能 -e(x) 变化一致，即：
dEFi e d(x) eE
dx
dx
则
Jn
nqn
E
1 q
( dEF dx
dEFi dx
)
Jn
nn
dEF dx
同理：
Jp
p p
dEF dx
以上两式说明通过pn结的电流密度与费米能级的变化
有关，对于平衡p-n结，Jn、Jp应均为零
E
子基本处于耗尽状态，因此空
成结后各电流成分：
间电荷区也称作耗尽区。
载流子扩散流：
(J p )扩
eDp
dp(x) dx
(Jn )扩
eDn
dn(x) dx
内建电场导致的漂移电流： (J p )漂 p(x)e p E
②单边突变结的空间电荷区宽度随低掺杂一边的杂质浓度的增加而 下降，而且内建电势差主要分配在这一区域
当施加外电压时，可推广为：
W
(Vbi
V
)( 2s
e
)(
Na Nd Na Nd
)
7.3 PN结反偏特性
成结后：
电子由n型材料 向p型材料扩散
空穴由p型材料 向n型材料扩散
P区
N区
n区处留下带正 电的施主杂质
p区处留下带负 电的受主杂质
空间电荷区 内建电场
在pn结附近，n区一侧电离施
主形成正电荷区，P区一侧电离受
P
N
主形成负电荷区，两者统称为空 间电荷区，所带电荷为空间电荷
由于空间电荷区中的可动载流
dEFi dx
)
本征费米能级 EFi 与电子的附加电势能 -e(x) 变化一致，即：
dEFi e d(x) eE
dx
dx
则
Jn
nqn
E
1 q
( dEF dx
dEFi dx
)
Jn
nn
dEF dx
同理：
Jp
p p
dEF dx
以上两式说明通过pn结的电流密度与费米能级的变化
有关，对于平衡p-n结，Jn、Jp应均为零
E
子基本处于耗尽状态，因此空
成结后各电流成分：
间电荷区也称作耗尽区。
载流子扩散流：
(J p )扩
eDp
dp(x) dx
(Jn )扩
eDn
dn(x) dx
内建电场导致的漂移电流： (J p )漂 p(x)e p E
第七章半导体器件基础
1 m+2
Cj =
εε 0 S
d
=
C0 V 1 + V D
n
1 变容二极管指数： n = m+2
C ~ V特性
电路与电子学基础
m -13/7 -3/2 -1 0 1 2 3 4 n 7 2 1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 势垒电容 PN结类型 超突变结
Cj =
C0 V 1 + V D
电路与电子学基础
第七章 半导体器件基础
7.1 半导体的基本知识 7.2 半导体二极管 7.3 半导体三极管 7.4 晶体管的主要参数 7.5 场效应晶体管
电路与电子学基础
7.1 半导体的基本知识
• 电阻率介于10e-3∼10e8Ω.cm，可变化区间大， 电阻率介于10e- 10e8Ω.cm，可变化区间大， 10e 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm） 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm）和绝缘体 10e8Ω.cm～10e20Ω.cm） （10e8Ω.cm～10e20Ω.cm）之间 • 热敏性：纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在 热敏性：纯净半导体负温度系数， 一定温度区域出现正温度系数 • 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 材料的电阻率会变化， 材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导 • 掺杂性：半导体中存在着电子与+ +
多子扩散电流
电路与电子学基础
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄， 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽， 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散
内电场E
P型半导体 － － － － － － － － － － －
Cj =
εε 0 S
d
=
C0 V 1 + V D
n
1 变容二极管指数： n = m+2
C ~ V特性
电路与电子学基础
m -13/7 -3/2 -1 0 1 2 3 4 n 7 2 1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 势垒电容 PN结类型 超突变结
Cj =
C0 V 1 + V D
电路与电子学基础
第七章 半导体器件基础
7.1 半导体的基本知识 7.2 半导体二极管 7.3 半导体三极管 7.4 晶体管的主要参数 7.5 场效应晶体管
电路与电子学基础
7.1 半导体的基本知识
• 电阻率介于10e-3∼10e8Ω.cm，可变化区间大， 电阻率介于10e- 10e8Ω.cm，可变化区间大， 10e 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm） 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm）和绝缘体 10e8Ω.cm～10e20Ω.cm） （10e8Ω.cm～10e20Ω.cm）之间 • 热敏性：纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在 热敏性：纯净半导体负温度系数， 一定温度区域出现正温度系数 • 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 材料的电阻率会变化， 材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导 • 掺杂性：半导体中存在着电子与+ +
多子扩散电流
电路与电子学基础
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄， 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽， 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散
内电场E
P型半导体 － － － － － － － － － － －
半导体器件物理(第七章)施敏第二版课件
7.2.3 电流电压特性
I IPVVDP 32VDVVGPVbi3/232VGVPVbi3/2
IPZn2q2NSLD2a3,VPq2NDSa2
电流电压方程式
ID
IP VP
1
VG Vbi VP
1/ 2
VD
gm
I D VG
VD
IP 2VP 2
VP VG Vbi
VD
线性区
I Dsat
I
P
1
A qnN D A
MESFET耗尽 区宽度变化
L
与输出特性
qnN DZ (a W )
沟道电阻
VDsat q2NDSa2Vbi,VG0
饱和电压
VDsat q2NDSa2 VbiVG
在此漏极电压时，漏极和源极被夹断， 此时漏极电流称为饱和电流IDsat 。
加入VG使得栅极接触被反偏，当VG 增大至一特定值时，耗尽区将触到 半绝缘衬底，此时VD为饱和电压。
q(BnBp)Eg
内建电势：
VbiBnVn
电荷、电场分布 S
qND
0
W
X
➢与单边突变结p+-n结类似
E W
0 X
-Em
相关公式1
E(x)
qND
S
Wx
Em
qND
S
x
Em
qNDW
S
相关公式2
Vbi
V
EmW 2
qNDW 2
2S
W 2S Vbi V
qND
QSC qNDW 2qS ND ( Vbi V )
3
VG Vbi VP
2 3
V
G
V VP
bi
电工学第7章半导体器件
6
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
7
三、PN 结
外电场
+–
内电场被
削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
++ + ++ + ++ +
+ ++ + ++ + ++
UCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 V
晶体管处于放大状态。
RB1 = 500 k RB2 = 50 k
RC = 5 k
(2) 开关 S 合向 b 时
IB =
UBB1 RB2
=
5 50×103 A = 0.1 mA
RB1
IC
=
UCC RC
=
15 5×103 A = 3 mA
点接触型、面接触型。
Ｐ
(2) 按材料分类
阳极
硅管、锗管。
(3) 按用途不同分类
普通管、整流管、开关管等。
N
阴极
13
(a) 点接触型 结面积小、
半导体物理第七章课件
第七章电荷转移器件（CTD）
半导体器件物理
© Dr. B. Li
CTD分类
戽链器件－BBD（1969）
CTD 电荷耦合器件CCD 表面CCD－SCCD
（1970） 体内CCD－BCCD
（埋沟）
半导体器件物理
© Dr. B. Li
7.1 CCD工作原理
• 电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称 CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一 种新型半导体器件。
Wm
( 后，再增加的VG主要降在SiO2层上，而s基 本不变，Wm基本不变。
❖反型层电子来源主要由耗尽层复合中心产生电子－空
穴对提供。强反型所需驰豫时间为：
半导体器件物理
© Dr. B. Li
2 ni
NA
❖用脉冲突然给栅极加上+VG(且VG >VT)，耗尽层来 不及反型—非平衡状态。
© Dr. B. Li
7.2 CCD物理性能
一、信息处理能力（最大电荷容量） 1. 理想的最大信号容量（势阱消失的值）
QpACoVp AVp d11
1:SiO2介电常数 d1： SiO2厚度
当d1一定，提高Vp（VG）可提高Qp。但是提高Vp受两个限制： A）半导体雪崩击穿限制 B）SiO2层击穿电场的限制
❖ 电子势阱的物理模型：
表面处电势s 很高，电子静电势能（-qs)很低，形成电 子势阱。
对一定器件，耗尽层越宽，则电子势能值也越大，即势阱 越深。
随时间，产生的电子－空穴对，在电场作用下，电子被 扫向表面处形成反型层，空穴扫向内部填充（中和）固 定 电 荷 区 ， 使 WWm ， 即 势 阱 变 浅 。 s 2F(bulk),SiO2层分压。
半导体器件物理
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CTD分类
戽链器件－BBD（1969）
CTD 电荷耦合器件CCD 表面CCD－SCCD
（1970） 体内CCD－BCCD
（埋沟）
半导体器件物理
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7.1 CCD工作原理
• 电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称 CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一 种新型半导体器件。
Wm
( 后，再增加的VG主要降在SiO2层上，而s基 本不变，Wm基本不变。
❖反型层电子来源主要由耗尽层复合中心产生电子－空
穴对提供。强反型所需驰豫时间为：
半导体器件物理
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2 ni
NA
❖用脉冲突然给栅极加上+VG(且VG >VT)，耗尽层来 不及反型—非平衡状态。
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7.2 CCD物理性能
一、信息处理能力（最大电荷容量） 1. 理想的最大信号容量（势阱消失的值）
QpACoVp AVp d11
1:SiO2介电常数 d1： SiO2厚度
当d1一定，提高Vp（VG）可提高Qp。但是提高Vp受两个限制： A）半导体雪崩击穿限制 B）SiO2层击穿电场的限制
❖ 电子势阱的物理模型：
表面处电势s 很高，电子静电势能（-qs)很低，形成电 子势阱。
对一定器件，耗尽层越宽，则电子势能值也越大，即势阱 越深。
随时间，产生的电子－空穴对，在电场作用下，电子被 扫向表面处形成反型层，空穴扫向内部填充（中和）固 定 电 荷 区 ， 使 WWm ， 即 势 阱 变 浅 。 s 2F(bulk),SiO2层分压。
第7章 半导体器件基础
物体 绝缘体（电介质）：如橡胶、塑料和陶瓷等。
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。
7.1.1 半导体的导电特性
一、半导体的主要特征
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管等）。
二、 本征半导体 纯净的半导体称为本征半导体。
1、内部结构
硅 或 锗 的 晶 体 结 构
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶体结构
-
2、导电机理
电 子 空穴 空 穴 对 的 形 成
自由电子
7.4 晶体管
7.4.1 基本结构 1. 分类 C 集电极 NPN型
集电极 C PNP型
N
B
P
基极
N
P
B
N
基极 P
E 发射极
E 发射极
集电区： 面积较大， 掺杂浓度 低
B 基极
C 集电极
N P N
E 发射极
基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
C 集电极
B 基极
N P N
E 发射极
集电结 发射结
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。
4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。
7.1.1 半导体的导电特性
一、半导体的主要特征
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管等）。
二、 本征半导体 纯净的半导体称为本征半导体。
1、内部结构
硅 或 锗 的 晶 体 结 构
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶体结构
-
2、导电机理
电 子 空穴 空 穴 对 的 形 成
自由电子
7.4 晶体管
7.4.1 基本结构 1. 分类 C 集电极 NPN型
集电极 C PNP型
N
B
P
基极
N
P
B
N
基极 P
E 发射极
E 发射极
集电区： 面积较大， 掺杂浓度 低
B 基极
C 集电极
N P N
E 发射极
基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
C 集电极
B 基极
N P N
E 发射极
集电结 发射结
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。
4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
第7章-半导体元件及其应用
2.光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻 率则显著下降。
利用这个特性可以制成光敏元件。 3.杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛
增几万倍至百万倍。
2019/11/2
广东海洋大学
主讲：张波
电工电子学
第七章 半导体元件及其应用
本征半导体：纯净的半导体
硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。在本征半导 体中有电子和空穴2种载流子，而金属导体中只有电子一种载流 子。
五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必
定多出一个电子，成为自由电子
因为掺杂浓度远 大于本征半导体 中载流子浓度， 所以，自由电子 浓度远大于空穴 浓度。自由电子 称为多数载流子 （多子），空穴 称为少数载流子 （少子）。 2019/11/2
广东海洋大学
杂质原子提供 的多余电子
杂质原子失去一个 电子成为正离子
发射结正偏，集电结反偏：放大模式（最常用）
发射结正偏，集电结正偏：饱和模式 （用于开关电路中）
发射结反偏，集电结反偏：截止模式
2019/11/2
广东海洋大学
主讲：张波
电工电子学
第七章 半导体元件及其应用
总结:在放大电路中三极管主要工作于放大状态，
即要求，发射结正偏(正偏压降近似等于其 PN结的导通压降），集电结反偏（反偏压降
电工电子学
第七章 半导体元件及其应用
2、PN结的单向导电性
2019/11/2
广东海洋大学
主讲：张波
电工电子学
第七章 半导体元件及其应用
PN 结加正向电压（正向偏置) ： P 区接电压正极和 N 区接电压负极。
PN 结加反向电压（反向偏置）： P 区接电压负极和N 区接电压正极。
复旦大学(微电子)半导体器件第七章_BJT共39页文档
正偏
反偏
晶体管的直流特性
发射结电流
电子：
空穴：
JJnpee qqW D L nD pp bbnepe0pn 0beeexx qpqpV bb V eekkTT （1当
Wb
<<
Lnb
时）
发射效率 （注入比）
JnJ e nJ e p e 1 b eL p （ W ebW e ） 或 1 1 R R s s,,b e h h 1
Ine Inc IeIbIc
共基极电流放大系数
Ic
<1
I e V cb 0
1
Ic IneInc Ic
Ie Ie Ine Inc
* *
Ie Vbe Ib
集电结倍增因子
Ic Vcb
基区传输系数
发射效率（注入比）
Ine Ine 1 1
Ie IneIpe 1IpeIne
re
qIc kT
gcb ：共基极时输出电导（Early效应）
g eb
ge
g ebt
gb
gebgegebt gb
eb结是正向偏置，输出短路时的输入电导geb
和复合率有关，包括发射区复合ge、发射结
势垒区复合gebt和基区复合+集电极收集gb对
电导的贡献。通常增益比较大时gb占主导
地位。gb
放大区 饱和区
饱和深度 sIIb bsIcIsbVccI bRL s = 1 临界饱和状态
晶体管的开关特性 饱和压降
C Ic
rcs
rbs B
Ib Vbes
Vc
+
+ Ve
第七章-半导体的表面
1．总电容C
在MIS结构上加电压VG后，电压VG的一部分 Vo降在绝缘层上，而另一部分降在半导体 表面层中，形成表面势Vs，即
VG=V0+VS
因是理想MIS结构，绝缘层内没有任何电
荷 电，场绝强缘度层，中显电然场是均匀的，以E0表示其
V0 E0d0
d0 绝缘层厚度
由高斯定理
E0
QM
ro 0
QM金属表面的面电荷密度, 0r 绝缘层的相对介
实际表面又分为：
清洁表面：在表面没有吸附杂质，也 没有被氧化的实际表面。
真实表面：表面吸附杂质, 或表面原 子生成氧化物或其它化合物
二、表面态
达姆表面能级: 晶体自由表面的存在使其周期场在表面处
发生中断, 在禁带中引起的附加能级.
求解薛定谔方程→ 在x=0处，出现新的本征值 →附加的电子能态→表面态
表面反型条件
qVs
ns (no ) p e KT
n0
ni2 p0
ns
ni2 ( po ) p
qVs
e KT
出现强反型的临界条件，ns=(po)p
qVs
ns2 ni2e KT
qVs
ns nie 2KT
Ei EF
qVB
p0 nie KT nie KT
qVs qVB 2KT KT
Vs 2VB, 出现强反型
VG
C0
d0
Cs
MIS结构的等效电路
C C0Cs C0 Cs
C
1
C0 1 C0 Cs
C C0
称为归一化电容
2．表面空间电荷区的电场和电容
空间电荷层中电势满足的泊松方程
d2V (x)
dx2
rs0
第7章 半导体器件-PPT文档资料
按制造材料，三极管分为硅管和锗管。
集电区： 面积较大
B
基极
C 集电极
N P N
E
发射极
基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
国产三极管的命名规则：
二、三极管的电流放大作用
实验电路如图所示。
改变可变电阻Rp时，基极电流IB，集电极电流IC和发 射极电流IE都将发生变化。不同值的IB有对应的IC和IE 值。
（2）滤波电容C的选择与负载上直流电压的估算
滤波电容C越大，负载电阻RL越大，输出电压越平 滑。一般取：
R LC半3 波~整5T 流滤波
RLC全3波~整5T2流滤波
通常采用电解电容器。负载断开时，电容器两端的
电压将升高到
2U 2
接入滤波电容器后，负载直流电压升高，按下式估
算：
Uo 半U波2 整流滤波
漂移运动
P型半导体
N型半导体 内电场E
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有扩电散荷运运动动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电位V
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
二、稳压管的主要参数 (1) 稳定电压Uz (2) 动态电阻rz：几欧—几十欧 (3) 最大稳定电流IZM (4) 最大耗散功率PZM (5) 电压温度系数αUZ
集电区： 面积较大
B
基极
C 集电极
N P N
E
发射极
基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
国产三极管的命名规则：
二、三极管的电流放大作用
实验电路如图所示。
改变可变电阻Rp时，基极电流IB，集电极电流IC和发 射极电流IE都将发生变化。不同值的IB有对应的IC和IE 值。
（2）滤波电容C的选择与负载上直流电压的估算
滤波电容C越大，负载电阻RL越大，输出电压越平 滑。一般取：
R LC半3 波~整5T 流滤波
RLC全3波~整5T2流滤波
通常采用电解电容器。负载断开时，电容器两端的
电压将升高到
2U 2
接入滤波电容器后，负载直流电压升高，按下式估
算：
Uo 半U波2 整流滤波
漂移运动
P型半导体
N型半导体 内电场E
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有扩电散荷运运动动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电位V
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
二、稳压管的主要参数 (1) 稳定电压Uz (2) 动态电阻rz：几欧—几十欧 (3) 最大稳定电流IZM (4) 最大耗散功率PZM (5) 电压温度系数αUZ
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本章主要内容：
半导体材料、由半导体构成的PN结、 二极管结构特性、三极管结构特性及场效 应管结构特性。
1
7 .1 半导体（Semiconductor）导电特性
根据导电性质把物质分为导体、绝 缘体、半导体三大类。 而半导体又分为本征半导体、杂质
（掺杂）半导体两种。
2
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。
43
半导体 PN结
二极管
稳压二极管
7.2.2 PN 结的单向导电性
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 1. PN结 外加正向电压时处于导通状态 较大的正向电流。
电子—空穴对，同时存在电子—空穴对
的复合 。
电子浓度 = 空穴浓度
ni = pi
7
7 .1 .2 杂质半导体
在本征半导体中掺入少量的其他特定元 素（称为杂质）而形成的半导体。
常用的杂质元素
三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑
通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制
成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。
电压UBR
U(V)
死区电压，硅管约 0.5V,锗管约0.1V (μA)
反向饱和漏电流
23
7.3.2 二极管的特性方程
二极管两端所加电压U与流过的 电流 I 的关系为：
I U
I I S (e
IS ：反向饱和电流
U
UT
1)
UT ：温度电压当量，在常温(300 K)下，UT 26 mV
24
7.3.2 二极管的特性方程
应根据不同情况选择不同的等效电路！
26
7.3.3 二极管主要参数
1. 最大整流电流IF ——最大正向平均电流 2. 最大反向工作电压URM ——击穿电压的一半或2/3 3. 最大反向电流IRM ——加URM时的反向电流值 4. 最高工作频率fM
27
7.3.3 二极管主要参数
从二极管的主要参数中可得出二极管单 向导电性失败的场合及原因
内电场 有利于少子 运动—漂移。
少 子 的运动与 多子运动 方向相反
P
阻挡层 空间电荷区
N
内电场
Uho
15
7.2.1 PN 结的形成
3. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等 于零，空间电荷区的宽度达到稳定。
总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等 量的多数载流子。
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
12
7.2 PN结（ PN Junction ）
将一块P型半导体和一块N型半导体有机结合在
一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。
PN结是构成多种半导体器件的基础。
二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。
Ui 18.75V, R 0.5k
38
例2： 电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是 否合适？
20V
R
DZ
1.6 K VZ 12V I Z max 18mA
39
例3： 电路如图，IZmax=50mA，R=0.15KΩ, UI =24V, IZ=5mA, UZ=12V，问当 RL = 0.2K Ω 时，电路 能否稳定，为什么？当 RL = 0.8K Ω 时，电路能 否稳定，为什么？
8
7 .1 .2 杂质半导体
① N型半导体（电子型半导体）
+4 +4 +4
掺入五价原子
5
+4
+4
+4
掺入五价 原子占据Si 共价键 原子位置
在 室 温 下 +4 就可以激发 成自由电子
+4
+4
N型半导体晶体结构示意图
9
7 .1 .2 杂质半导体 ① N型半导体（电子型半导体）
杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子
热敏/光敏器件
往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。
二极管
3
7 .1 .1 本征半导体
纯净的、不含杂质的半导体。
原子的组成：
带正电的原子核 若干个围绕原子核运动的带负电的电子 且整个原子呈电中性。
半导体器件的材料：
硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外 层有4个电子。 锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序 数是32，外层也是4个电子。
20
7.3 半导体二极管（Diode）
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
结电容小， 可用于检 波或变频。 用于工频 大电流整 流电路。
往往用于集成电 路中，用于高频 整流和开关电路。
点接触型： 结面积小， 故结允许的电流小 最高工作频率高
面接触型： 结面积大， 故结允许的电流大 最高工作频率低
R
+ ui -
DZ
+ uo -
42
本次课程小结
本征半导体、热（本征）激发。 掺杂半导体、多子和少子。 PN结的形成。 PN结的单向导电性。 二极管的结构和伏安特性。 二极管的主要参数。 二极管的应用。 稳压二极管的伏安特性。 稳压二极管的主要参数。 稳压二极管的应用。
作业：P206：7.1，7.3 ， 7.4 ，7.5， 7.6 ，7.8
但在外界激励下，产 生电子—空穴对（本征激 发） ，呈现导体的性质。
自由电子
空穴能运动吗？ 空穴是载流子吗？
共价键
+4
+4
+4
晶体共价键结构平面示意图
空穴也可移动（邻近电子 的依次填充）。
6
7 .1 .1 本征半导体
半导体内部存在两种载流子（可导
电的自由电荷）：电子（负电荷）、空 穴（正电荷）。 在本征半导体中，本征激发产生了
13
7.2.1 PN 结的形成
1. 多子扩散运动 电子和空 穴浓度差形成 多数载流子的 扩散运动。 扩散运动形成 空间电荷区 —— 耗 尽 层 。
空间电荷区 耗尽层
P
N
P
N
14
7.2.1 PN 结的形成
2. 少子漂移
空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 电位壁垒；— — 内电场；内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏)
P
耗尽层
N
IS 内电场方向 外电场方向 R V
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感， 随着温度升高， IS 将急剧增大。
18
7.2.2 PN 结的单向导电性
2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强 了内电场的作用； 外电场使空间电荷区变宽；
4
7 .1 .1 本征半导体
+4 +4 +4
简化原子结构模型如下：
惯性核
+4
+4
+4
共价键 +4
价电子
+4
+4
+4
晶体共价键结构平面示意图
这种稳定的结构使得本征半导体常温下 不能导电，呈现绝缘体性质。
5
硅和锗的简化原子模型
7 .1 .1 本征半导体
+4 B C +4 +4 空穴 A +4 +4 +4
1、正向偏压太低。（不足以克服死区电压） 2、正向电流太大。（会使PN结温度过高烧 毁） 3、反向偏压太高。（造成反向击穿） 4、工作频率太高。（使结电容容抗下降而 反向不截止）
28
7.3.4 二极管应用
例1：设二极管的导通电压为0.6V，求UO
D + R 6V 12V U O -
29
例2：设二极管的导通电压忽略，已知 ui=Asinωt(V)，画出uO的波形。
rZ
U Z I Z
rz越小，稳压
性能越好。
UZ
利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作 在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。
35
7.4 特殊二极管——稳压二极管
稳压二极管的主要参数 （1）稳定电压 UZ （2）动态电阻
rZ
U Z I Z
（3）稳定电流IZ ，最大稳定电流IZM
I IS e
U / UT
1
正向特性为 指数曲线
若正向电压U>>UT，则 I I S eU /UT
若反向电压|U|>>UT，则 I I S
反向特性为横轴的平行线
二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。
在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特 性将下移。
25
7.3.2 二极管的特性方程
37
稳压二极管的应用举例——例1：
稳压管的技术参数:
i
iL
R DZ
RL Uo iZ
U z 10V, I zmax 20mA, RL 2k I zmin 5mA
Ui
要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R 和输入电压 Ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax
+4
+4
+4
A
+4
+3
+4
空位
共价键 +4
图 P型半导体晶 体结构示意图
半导体材料、由半导体构成的PN结、 二极管结构特性、三极管结构特性及场效 应管结构特性。
1
7 .1 半导体（Semiconductor）导电特性
根据导电性质把物质分为导体、绝 缘体、半导体三大类。 而半导体又分为本征半导体、杂质
（掺杂）半导体两种。
2
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。
43
半导体 PN结
二极管
稳压二极管
7.2.2 PN 结的单向导电性
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 1. PN结 外加正向电压时处于导通状态 较大的正向电流。
电子—空穴对，同时存在电子—空穴对
的复合 。
电子浓度 = 空穴浓度
ni = pi
7
7 .1 .2 杂质半导体
在本征半导体中掺入少量的其他特定元 素（称为杂质）而形成的半导体。
常用的杂质元素
三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑
通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制
成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。
电压UBR
U(V)
死区电压，硅管约 0.5V,锗管约0.1V (μA)
反向饱和漏电流
23
7.3.2 二极管的特性方程
二极管两端所加电压U与流过的 电流 I 的关系为：
I U
I I S (e
IS ：反向饱和电流
U
UT
1)
UT ：温度电压当量，在常温(300 K)下，UT 26 mV
24
7.3.2 二极管的特性方程
应根据不同情况选择不同的等效电路！
26
7.3.3 二极管主要参数
1. 最大整流电流IF ——最大正向平均电流 2. 最大反向工作电压URM ——击穿电压的一半或2/3 3. 最大反向电流IRM ——加URM时的反向电流值 4. 最高工作频率fM
27
7.3.3 二极管主要参数
从二极管的主要参数中可得出二极管单 向导电性失败的场合及原因
内电场 有利于少子 运动—漂移。
少 子 的运动与 多子运动 方向相反
P
阻挡层 空间电荷区
N
内电场
Uho
15
7.2.1 PN 结的形成
3. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等 于零，空间电荷区的宽度达到稳定。
总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等 量的多数载流子。
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
12
7.2 PN结（ PN Junction ）
将一块P型半导体和一块N型半导体有机结合在
一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。
PN结是构成多种半导体器件的基础。
二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。
Ui 18.75V, R 0.5k
38
例2： 电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是 否合适？
20V
R
DZ
1.6 K VZ 12V I Z max 18mA
39
例3： 电路如图，IZmax=50mA，R=0.15KΩ, UI =24V, IZ=5mA, UZ=12V，问当 RL = 0.2K Ω 时，电路 能否稳定，为什么？当 RL = 0.8K Ω 时，电路能 否稳定，为什么？
8
7 .1 .2 杂质半导体
① N型半导体（电子型半导体）
+4 +4 +4
掺入五价原子
5
+4
+4
+4
掺入五价 原子占据Si 共价键 原子位置
在 室 温 下 +4 就可以激发 成自由电子
+4
+4
N型半导体晶体结构示意图
9
7 .1 .2 杂质半导体 ① N型半导体（电子型半导体）
杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子
热敏/光敏器件
往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。
二极管
3
7 .1 .1 本征半导体
纯净的、不含杂质的半导体。
原子的组成：
带正电的原子核 若干个围绕原子核运动的带负电的电子 且整个原子呈电中性。
半导体器件的材料：
硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外 层有4个电子。 锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序 数是32，外层也是4个电子。
20
7.3 半导体二极管（Diode）
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
结电容小， 可用于检 波或变频。 用于工频 大电流整 流电路。
往往用于集成电 路中，用于高频 整流和开关电路。
点接触型： 结面积小， 故结允许的电流小 最高工作频率高
面接触型： 结面积大， 故结允许的电流大 最高工作频率低
R
+ ui -
DZ
+ uo -
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本次课程小结
本征半导体、热（本征）激发。 掺杂半导体、多子和少子。 PN结的形成。 PN结的单向导电性。 二极管的结构和伏安特性。 二极管的主要参数。 二极管的应用。 稳压二极管的伏安特性。 稳压二极管的主要参数。 稳压二极管的应用。
作业：P206：7.1，7.3 ， 7.4 ，7.5， 7.6 ，7.8
但在外界激励下，产 生电子—空穴对（本征激 发） ，呈现导体的性质。
自由电子
空穴能运动吗？ 空穴是载流子吗？
共价键
+4
+4
+4
晶体共价键结构平面示意图
空穴也可移动（邻近电子 的依次填充）。
6
7 .1 .1 本征半导体
半导体内部存在两种载流子（可导
电的自由电荷）：电子（负电荷）、空 穴（正电荷）。 在本征半导体中，本征激发产生了
13
7.2.1 PN 结的形成
1. 多子扩散运动 电子和空 穴浓度差形成 多数载流子的 扩散运动。 扩散运动形成 空间电荷区 —— 耗 尽 层 。
空间电荷区 耗尽层
P
N
P
N
14
7.2.1 PN 结的形成
2. 少子漂移
空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 电位壁垒；— — 内电场；内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏)
P
耗尽层
N
IS 内电场方向 外电场方向 R V
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感， 随着温度升高， IS 将急剧增大。
18
7.2.2 PN 结的单向导电性
2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强 了内电场的作用； 外电场使空间电荷区变宽；
4
7 .1 .1 本征半导体
+4 +4 +4
简化原子结构模型如下：
惯性核
+4
+4
+4
共价键 +4
价电子
+4
+4
+4
晶体共价键结构平面示意图
这种稳定的结构使得本征半导体常温下 不能导电，呈现绝缘体性质。
5
硅和锗的简化原子模型
7 .1 .1 本征半导体
+4 B C +4 +4 空穴 A +4 +4 +4
1、正向偏压太低。（不足以克服死区电压） 2、正向电流太大。（会使PN结温度过高烧 毁） 3、反向偏压太高。（造成反向击穿） 4、工作频率太高。（使结电容容抗下降而 反向不截止）
28
7.3.4 二极管应用
例1：设二极管的导通电压为0.6V，求UO
D + R 6V 12V U O -
29
例2：设二极管的导通电压忽略，已知 ui=Asinωt(V)，画出uO的波形。
rZ
U Z I Z
rz越小，稳压
性能越好。
UZ
利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作 在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。
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7.4 特殊二极管——稳压二极管
稳压二极管的主要参数 （1）稳定电压 UZ （2）动态电阻
rZ
U Z I Z
（3）稳定电流IZ ，最大稳定电流IZM
I IS e
U / UT
1
正向特性为 指数曲线
若正向电压U>>UT，则 I I S eU /UT
若反向电压|U|>>UT，则 I I S
反向特性为横轴的平行线
二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。
在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特 性将下移。
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7.3.2 二极管的特性方程
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稳压二极管的应用举例——例1：
稳压管的技术参数:
i
iL
R DZ
RL Uo iZ
U z 10V, I zmax 20mA, RL 2k I zmin 5mA
Ui
要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R 和输入电压 Ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax
+4
+4
+4
A
+4
+3
+4
空位
共价键 +4
图 P型半导体晶 体结构示意图