1.1半导体基础R
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电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
第一章 半导体物理基础解析
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
半导体的基本知识
第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN 结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。
半导体器件是构成电子电路的基础。
半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。
顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。
1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
通常将很容易导电、电阻率小于410-Ω•cm 的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω•cm 的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在410-Ω•cm ～1010Ω•cm 范围内的物质，称为半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。
1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。
半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。
例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1／2。
而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10℃时，它的电阻率几乎不变。
2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。
一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。
自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。
而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。
3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。
在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之—。
半导体基础
1.稳压管的伏安特性
1.3 稳压二极管
2.稳压管的主要参数 1).稳定电压 Uz 2).稳定电流 Iz 4）.动态电阻rz
5）.温度系数α
3）.额定功耗 PZM
1.3 稳压二极管
例： 如图所示是一个简单的并联稳压电路。 R为限流电阻，求 R 上的电压值VR和电流值。
1k + +
Vz 7V
_
Dz
热敏元件、光敏元件
1.1 半导体基础知识
3．杂质半导体 ⑴ N型半导体
在本征半导体中掺入五价 杂质（如磷），则形成N 型半导体，电子为多数载 流子，空穴为少数载流子， 主要依靠电子导电。
1.1 半导体基础知识
3．杂质半导体
⑵ P型半导体
在本征半导体中掺入 三价杂质，则形成P 型半导体，空穴为多 数载流子，电子为少 数载流子，主要依靠 空穴导电。
解：
1.2 半导体二极管
【例1－2】 电路如图所示，二极管导通电压UD～ 0.7V，分别计算开关断开和关闭时输出电压的数值
解：利用压降模型分析电路 开关断开时，输出电压为 U0=V1-UD=6-0.7=5.3V 开关闭合后，二极管外加反 向电压截止，故 输出电压为 V2＝12V
1.2 半导体二极管
1.1 半导体基础知识
1.1.2 PN结 1．PN结的形成
空穴电子 浓度差
引起 载流子扩散
空间电荷区 （耗尽层）
平衡 形成PN结
内建电场E 空间电荷区：只有少数载流子，导电性很差，看作绝缘区
1.1 半导体基础知识
PN结形成的动画
1.1 半导体基础知识
2．PN结的单向导电特性 ⑴ PN结加正向电压 ⑵ PN结加反向电压
形成空穴电流
半导体基本知识
五、PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。
(1) 势垒电容Cb
表征耗尽层内电荷量的变化。
(2)扩散电容Cd 表征耗尽层外中性区(P区和N区)内电荷量的变化。
(1) 势垒电容Cb
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电 相同，其等效电容称为势垒电容Cb。
当PN结外加正向电压，且u >>UT时，
qu kT
即i随u按指数规律变化；
当PN结外加反向电压，且| u |>> UT时，
当反向电压超过一定数值后， 反向电流急剧增加，称为反向 击穿。 击穿：齐纳击穿、雪崩击穿
①齐纳击穿
掺杂浓度越高，耗尽层宽度窄
不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接 破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空 穴对，致使电流急剧增大。
(2) 扩散电容Cd
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过 程，其等效电容称为扩散电容Cd。 外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面处的非平 衡少子浓度高，而远离交界面的地方浓度低，浓度自 高到低逐渐衰减，直至零。形成一定的浓度梯度（浓 度差），形成扩散电流。
空穴 空间电荷区 耗尽层 电子
P区
内电场
N区
二、 PN结的单向导电性
在 PN结的两端外加电压，破外原来的平衡状态。
①外加正向电压
电源正极接PN结的P端，负极接N端
P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置或正向接法。
②外加反向电压 电源负极接PN结的P端，正极接N端
(1)
PN结加正向电压时的导电情况
1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的特性自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
[下一页]半导体的特性硅原子的序数是14、原子核外有14个电子，最外层有4个电子，称为价电子，带4个单位负电荷。
通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。
惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。
[下一页]1.1.2 本征半导体在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。
每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。
一般来说，共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，这种物理现象称作为本征激发，价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。
如图所示。
当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。
价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。
为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。
在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。
当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。
在一定温度条件下，产生的“电子空穴对”和复合的“电子空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。
半导体基础知识
符号
1
+ W78XX +
2
_
3
_
W79XX
1 2
3
1.6.3 W78XX、W79XX系列 集成稳压器的使用方法
一、 组成输出固定电压的稳压电路
1. W78XX系列
+
1
W78XX
Co
2
+
Uo = 12V
改善负载 的暂态响 应,消除 高频噪声
注意 3 Ui 输入 Ci 电压 极性 抵消输入 长接线的 电感效， 防止自激 Ci : 0.1~1F
IR + +
R UR
IL
IZ RL
2、引起电压不 稳定的原因
UI
电源电压的波动 负载电流的变化
DZ
稳压二极管
+ UL
将微小的电压变化转 换成较大的电流变化
三端稳压器封装及电路符号
封装
塑料封装
金属封装
79LXX
W7805 1 3 2
W7905 1 3 2
78LXX
1
2
3
UI GND UO GND UI UO
空穴
负离子
电子
正离子
一、载流子的浓度差引 N型材料 起多子的扩散扩散使 交界面处形成空间电 荷区（也称耗尽层）
内电场方向
二、空间电荷区特点
基本无无载流子，仅 有不能移动的离子
三、扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流= 漂移电流 总电流=0 利于少子的漂移
形成内电场
阻止多子扩散进行
1.2.2 PN结的单向导电性
外界条件决定半导体内部 载流子数量
三、本征半导体： 纯净的半导体
1.1半导体器件的基础知识
第1章半导体器件半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，是构成各种电子电路的核心，常用的半导体元器件有二极管、晶体管、场效应管等。
半导体元器件由半导体材料制成，因此，学习电子技术应首先了解半导体材料的特性，这将有助于对半导体元器件的学习、掌握和应用。
1.1 半导体器件的基础知识1.1.1 半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、硼、砷、铟等，他们的电阻率在10-3～107欧.厘米。
半导体材料的广泛应用，并不是因为它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，而是它们具有一些重要特性：1）当半导体受到外界光和热的激发（本征激发）时，其导电能力发生显著的变化；2）若在半导体中加入微量的杂质（不同的半导体）后，其导电能力显著的增加；半导体的这些特点取决于这类物质的化学特性。
绝对纯净的硅、锗、磷、砷、硼、铟叫做本征半导体。
1.1.2 本征半导体1)半导体的化合价物质的化学和物理性质都与物质的价电子数有密切的关系，半导体材料大都是三、四、五价元素。
硅、锗（四价）、磷、砷（五价）、硼、铟（三价）。
2)化学键物质化学键分离子键、共价键和金属键三种，半导体物质的化学键都属于共价键的晶体结构，同时它们的键长一般很长，故原子核对价电子的束缚力不象绝缘物质那样紧，当价电子获得一定的能量后，就容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
+4+4+4+4+4+4+4+4+4+41.化学特性①共有价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子；可见半导体中的载流子有两种，即自由电子（●）和空穴(○)。
本征半导体的载流子是由本征激发而产生的，其自由电子与空穴是成对出现，即有一个自由电子，就一定有一个空穴，故称电子空穴对。
由于空穴带正电，容易吸引邻近的价电子来填补，从而形成了共有价电子的运动，这种运动无论从效果上，还是从现象上，都好象一个带正电的空穴在移动，它不同于自由电子的运动，故称之为空穴运动。
半导体基础知识
现代电子学中，用的最多的半导 体是硅和锗，它们的最外层电子 （价电子）都是四个。
Ge
Si
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流…… 4）按频率分：高频和低频
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2）内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反－ － － － － － 运动最终达到 衡，相当于两－ － － － － － 区之间没有电－ － － － － － 运动，空间电 区的厚度固定－ － － － － － 变。
在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位， 称为空穴。
(完整word版)半导体基础知识
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构:最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。
绝缘体导电性:极差。
如惰性气体和橡胶.半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧.半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间.半导体的特点：★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化.晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。
共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子.空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动,形成电子电流。
空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流.自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发.复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体的基本知识PN结及其单向导电性
+4
+4
+4
价电子填
补空穴而
使空穴移
动，形成
+4
+4
+4
空穴电流
+4 空穴的+移4 动 +4
自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动 也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运
动是17靠相邻共价键中的价电子依次上第充1页章填空穴第下1来次页课实现的第返1。7回页
现代电子技术基础
半导体导电机理动画演示
33
上第1页章
第下1次页课
第返33回页
现代电子技术基础
(3)杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的 影响，一些典型的数据如下:
1 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
2 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
杂质元素形成的。 b. P型半导体产生大量的空穴和负离子。
c. 空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
d. 因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或 空穴型半导体。
32
上第1页章
第下1次页课
第返32回页
现代电子技术基础
当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可 将N型转为P型； 当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可 将P型转为N型。
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
第1章半导体器件
在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围 内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就 是利用这一点达到“稳压”效果的。
2 何谓杂质半 导体？N型半导 体中的多子是 什么？少子是 什么？
3 P型半导体中的空 穴多于自由电子，是 否意味着带正电？N 型半导体是否带负 电？
10
1.1 半导体基础知识
g. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。
空间电荷区
P区
在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷
内电场 外电场
V
IS
13
1.1 半导体基础知识
i. PN结的电流方程
一般地：
qu
i I s (e kT 1)
可以简化为，
u
i
I
I
s
(eUT
1)
当T=300K时，
u
i I s (e 0.026 1)
14
1.1 半导体基础知识
j. PN结的伏安特性曲线
当u>> UT时，
u
i IseUT
反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。
外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二 极管失去单向导电性，进入反向击穿区。
23
1.2 半导体二极管
正向导通区的讨论
I (mA) 60
当外加正向电压大于死区电压时，二 极管由不导通变为导通，电压再继续增
1.1 半导体基础知识
2. 本征半导体中的两种载流子 本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 运载电荷的粒子称为载流子。 无外加电场,电子和空穴运动是 无外加电场 电子和空穴运动是 随机、无规则的,不形成电流 不形成电流。 随机、无规则的 不形成电流。 有外加电场， 有外加电场，自由电子做定向 运动形成电子电流； 运动形成电子电流；价电子按 一定方向填补空穴,等效成空穴 一定方向填补空穴 等效成空穴 运动形成空穴电流。 运动形成空穴电流。 载流子 本征半导体中有两种载 本征半导体中有两种载 流子：自由电子和空穴。 流子：自由电子和空穴。
P区空穴 区空穴 浓度远高 于N区 区
N区自由动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 扩散运动使靠近接触面 区的空穴浓度降低、靠近接触面N 区的空穴浓度降低 区的自由电子浓度降低， 区出现负离子区， 区的自由电子浓度降低，P 区出现负离子区，N 区出现正离子 形成空间电荷区， 不利于扩散运动的继续进行。 区,形成空间电荷区，产生内电场 不利于扩散运动的继续进行。 形成空间电荷区 产生内电场,不利于扩散运动的继续进行
PN 结的形成
模拟电子技术基础
第四版 童诗白 华成英 主编
高等教育出版社
第一章 常用半导体器件
1.1 1.2 1.3 1.4 半导体基础知识 半导体二极管 晶体三极管 场效应管
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体 1.1.1本征半导体
一、半导体 自然界物质按其导电能力分为导体、半导体、绝缘体。 自然界物质按其导电能力分为导体、半导体、绝缘体。 1.导体 自然界中很容易导电的物质称为导体， 1.导体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般 都是导体。 都是导体。 2.绝缘体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体， 2.绝缘体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如惰性气 橡皮、陶瓷、塑料和石英。 体、橡皮、陶瓷、塑料和石英。 3.半导体 有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间， 3.半导体 有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间， 称为半导体，如锗、 砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。 和锗(Ge) 常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。
模拟电子技术教案-第1章 半导体二极管及其基本应用
模拟电子技术主编第1章半导体二极管及其基本应用1.1.1 半导体的基础知识本证半导体1.定义：纯净的单晶半导体称为本征半导体。
2.本征半导体的原子结构及共价键：共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。
3.本征激发和两种载流子：——自由电子和空穴受温度的影响，束缚电子脱离共价键成为自由电子，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。
在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。
复合现象：空穴出现以后，邻近的束缚电子可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。
为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。
4. 结论(1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。
（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生,数目相同。
（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。
（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。
这是半导体和导体在导电机制的本质差异。
另一方面，空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。
杂质半导体1.定义：为了提高半导体的导电能力可在本征半导体中掺入微量杂质元素，该半导体称为杂质半导体。
2.半导体分类在本征半导体中有意识加入微量的三价元素或五价元素等杂质原子，可使其导电性能显著改变。
根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N 型）半导体和空穴型（P 型）半导体。
（1）N 型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N 型半导体。
五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。
半导体材料基础_基本特性
杂质能级：杂质可以使电子在其周围 运动形成量子态
本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完 一部分价电子挣脱共价键束缚，形成电子-空穴对。本征激发 很弱。
＋4 价电子 ＋4 ＋4 共价键
整的半导体。绝对零度下，本征半导体相当于绝缘体；室温下，
＋4 空穴 ＋4
＋4 自由 电子 ＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
硅晶体共价键结构示意图
电子-空穴对的产生和空穴的移动
杂质半导体
在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、
锑等，使原来晶格中的某些硅原子被五价杂质原子所取代，便 构成N型半导体。在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素， 如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。
i) 晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动
点缺陷
缺陷的出现： 线缺陷 面缺陷 ii) 和晶体基质原子不同的杂质原子的存在 无意掺杂
空位 位错 层错
源材料和工艺 有目的控制 材料性质
杂质的出现：
有意掺杂
半导体的掺杂分类
本征半导体 杂质半导体：n型、p型
受 主 掺 杂
B
受主能级
施 主 掺 杂
施主能级
由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所 以不必满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。
杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质 吸收会改变半导体的导电性，也会引起光电效应。
电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁
浅能级杂质：红外区 深能级杂质：可见、紫外区
iv) 自由载流子吸收
当入射光的波长较长，不足以引起 带间跃迁或形成激子时，半导体中 仍然存在光吸收，而且吸收系数随 着波长的增加而增加。这种吸收是 自由载流子在同一能带内的跃迁引 起的，称为自由载流子吸收。（准 连续、长波长段） 自由载流子吸收也需要声子参与， 因此也是二级过程，与间接跃迁过 程类似。但这里所涉及的是载流子 在同一带内不同能级间的跃迁。 自由载流子吸收不会改变半导体的 导电性。
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三、PN结的伏安特性 结的伏安特性 正向特性 反向特性 反向击穿
u
PN结的电流方程为 i = I 结的电流方程为
S
(e
U
T−Biblioteka 1)其中， 为反向饱和电流， 其中， IS 为反向饱和电流， UT≈26mV
+4
+4
多数载流子
+4 +5
施主原子
+4 +4 +4
自由电子
1.1.2 杂质半导体 型半导体 二、P型半导体
在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之 在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之 ）， 取代晶格中硅原子的位置， 型半导体。 取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。 +4
+4 +4
+4
+3
+4
空位
+4 +4 +4
+4
+4
少数载流子 +4
+4 空 穴 +4
+3
+4
+4
多数载流子 +4
在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。 在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。 受主原子
总结
在杂质半导体中： 在杂质半导体中： 杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构; 杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构; 多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度； 多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度； 而少数载流子的浓度主要取决于温度。 而少数载流子的浓度主要取决于温度。 杂质半导体的优点： 杂质半导体的优点： 掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体 掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P 和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色 型半导体以不同方式组合， 色、品种繁多、用途各异的半导体器件。 品种繁多、用途各异的半导体器件。
体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 体之间，称为半导体，如锗、 半导体 和一些硫化物、氧化物等。 和一些硫化物、氧化物等。
1.1.1 本征半导体
纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
一、半导体
导电特性处于导体（低价元素构成） 导电特性处于导体（低价元素构成）和绝 半导体， 缘体（高价元素构成）之间，称为半导体 缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如 硅等，均为四价元素。 锗、硅等，均为四价元素。
二、PN结的单向导电性 结的单向导电性 1. PN结外加正向电压时处于导通状态 结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指PN结 端接电源 端接电源正 加正向电压是指 结P端接电源正极，N端 端 接电源负极，也称正向接法或正向偏置。 接电源负 也称正向接法或正向偏置。
外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄， 外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄， 形成较大的扩散电流。 形成较大的扩散电流。
P区 区
N区 区
一、PN结的形成 结的形成
耗尽层
空间电荷区
内电场
在交界面，由于两种载流子的浓度差， 在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 现扩散运动。 现扩散运动。 在交界面，由于扩散运动,经过复合 经过复合,出现空 在交界面，由于扩散运动 经过复合 出现空 间电荷区
一、PN结的形成 结的形成
PN结 结
内电场 外电场
2. PN结外加反向电压时处于截止状态 结外加反向电压时处于截止状态
加反向电压是指PN结 端接电源 端接电源正 加反向电压是指 结N端接电源正极， P端 端 接电源负 也称反向接法或反向偏置。 接电源负极，也称反向接法或反向偏置。
外电场和内电场的共同作用， 外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变 形成很小的漂移电流。 宽，形成很小的漂移电流。
半导体中有两种载流子:自由电子和 半导体中有两种载流子:自由电子和空穴
+4
+4
+4
带正电的空穴
+4 +4 +4
带负电的自由电子
+4
+4
+4
在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为 在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为 电子 – 空穴对，两种载流子浓度相等。 空穴对，两种载流子浓度相等。
+4 +4 +4
1.1.2 杂质半导体 型半导体 一、N型半导体
在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）， ），使之 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之 取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 少数载流子
+4 +4
电子----多子; 电子----多子; ----多子 空穴----少子. ----少子 空穴----少子.
模拟电子技术基础
信息科学与工程学院·基础电子教研室 信息科学与工程学院 基础电子教研室
模拟电子技术基础
导言： 导言：
模拟电子技术基础是认识、 模拟电子技术基础是认识、了解电子科学技术 的基础课程，随着科学的发展和社会的进步， 的基础课程，随着科学的发展和社会的进步，电子 技术在我们的工作、生活中的应用越来越广泛。 技术在我们的工作、生活中的应用越来越广泛。通 过学习希望大家达到一定的学习目的：
1.1 半导体基础知识
自然界中很容易导电的物质称为导体 导体， 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。 一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 有的物质几乎不导电，称为绝缘体， 绝缘体
皮、陶瓷、塑料和石英。 陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘
1、掌握基本知识、基本概念； 、掌握基本知识、基本概念； 2、认识常用的电子器件； 、认识常用的电子器件； 3、学会分析电子电路； 、学会分析电子电路； 4、认识、了解电子电路的应用。 、认识、了解电子电路的应用。
本课程抽象性强，不易理解，概念又多， 本课程抽象性强，不易理解，概念又多，所 以在学习过程中有一定的学习要求 学习要求： 以在学习过程中有一定的学习要求：
+ + + + + + + +
-
1.本征半导体中载流子为电子和空穴; 1.本征半导体中载流子为电子和空穴; 本征半导体中载流子为电子和空穴 2.电子和空穴成对出现,浓度相等; 2.电子和空穴成对出现,浓度相等; 电子和空穴成对出现 3.由于热激发可产生电子和空穴, 3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导 由于热激发可产生电子和空穴 体的导电性和温度有关,对温度很敏感。 体的导电性和温度有关,对温度很敏感。
1、认真听讲，及时复习，准时、独立完成作业； 、认真听讲，及时复习，准时、独立完成作业 完成作业； 2、重视实验、实践活动，以提高动手能力，以及分 、重视实验、实践活动，以提高动手能力， 析问题、解决问题的能力； 析问题、解决问题的能力； 3、会抓问题的主要方面，分析问题时分清主、次， 、会抓问题的主要方面，分析问题时分清主 学会对实际问题的分析方法。 学会对实际问题的分析方法。
价电子共有化， 价电子共有化，形成共价键的晶格结构
价 电 子
共价键
1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
一、半导体 二、本征半导体的导电情况
金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子), 金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子), 在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流。 在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流。
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管
第一章 常用半导体器件
内容提要 本章介绍了半导体的基本知识， 本章介绍了半导体的基本知识，然后 阐述了三种常用半导体器件： 阐述了三种常用半导体器件：半导体二极 管、晶体管和场效应管的工作原理和基本 特性。本着“管为路用”的原则， 特性。本着“管为路用”的原则，在了解 其基本原理的基础上， 其基本原理的基础上，重点掌握它们的外 特性—基本应用。 特性 基本应用。
+4
+4
+4
电子电子-空穴对
+4 +4 +4
在一定温度下电子 空穴对的产生和复合达到动态平衡 在一定温度下电子 - 空穴对的产生和复合达到动态平衡。 的产生和复合达到动态平衡。 本征载流子的浓度对温度十分敏感
在外电场作用下， 在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
+ + + + + + + +
-
在外电场作用下， 在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
本课程主要研究模拟信号的放大、 本课程主要研究模拟信号的放大、运算处 波形的产生和信号的转换等内容。 理，波形的产生和信号的转换等内容。
模电课程的主要内容
第 1 章 常用半导体器件 第 2 章 基本放大电路 第 3 章 多级放大电路 集成运算放大电路（简单介绍） 第 4 章 集成运算放大电路（简单介绍） 第 5 章 放大电路的频率响应 第 6 章 放大电路中的反馈 第 7 章 信号的运算和处理 第 8 章 波形的产生和信号的转换 第 9 章 功率放大电路 第10章 直流电源 章
内电场
当扩散电流等于漂移电流时， 当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN PN结 平衡，形成PN结。
1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场; 1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场; 由于扩散运动形成空间电荷区和内电场 2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移; 2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移; 内电场阻碍多子扩散 3.当扩散电流等于漂移电流时， 3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 当扩散电流等于漂移电流时 平衡，形成PN PN结 平衡，形成PN结。