本征半导体结构图(精)
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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。
半导体基础知识
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压，耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求：
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压，反 向电流很小； 当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大，即饱和；
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
本征层
在了解本征层之前，我们先来了解本征得意思。
本征二字顾名思义，就是本身的特征！比如在半导体中，本征半导体的意思是纯净无杂质的半导体。
如果在半导体晶体结构中有杂质则就不能成为本征半导体。
本征半导体本征半导体（intrinsic semiconductor)）完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。
但实际半导体不能绝对的纯净，此类半导体称为杂质半导体。
本征半导体一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。
更通俗地讲，完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体或I型半导体。
主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。
特点:电子浓度=空穴浓度，随着温度的升高，其浓度基本上是按指数规律增长的。
（掺杂的半导体，在一定条件下（例如高温下）也可以具有本征半导体特点。
）缺点:载流子少，导电性差，温度稳定性差！在绝对零度温度下，本征半导体的价带（valence band）是满带复合导带中的电子会落入空穴，使电子－空穴对消失，称为复合（recombination）。
复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。
在一定温度下，电子－空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。
加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子－空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。
半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。
常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。
太阳电池的发射区、本征层？发射区就是注入载流子的区，一般为高掺杂区，除此以外就是本征区和收集区了，本征层就是没有掺杂的区域，你可以看看施敏写的半导体器件这本书，比较基础。
PN结与PIN结的区别？PN结和PIN结是两种最基本的器件结构，也是两种重要的二极管。
从结构和导电机理上来说，它们有许多共同点，但是也存在不少的差异。
半导体的光电效应.ppt
Am
f
A(f) N(f)
f
f
f
f 1
A( f )df
Am 0
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
探测器的主要参数
响应率（积分灵敏度）
探测器的输出信号电压 Vs或电流Is与入射光功率 s之比
Sv
Vs s
或
Sv
IS s
光谱响应率
探测器在波长为的单色光照射下，输出的电压Vs ()或电流Is ()
由于RP随着入射光功率变化而变化，要保持匹配有 困难，一般采用RL RP1RP2
光明电阻的应用列举
照相机电子快门
W
E0
EA
Eg
Ec
Ef
半导体光电发射
注意：在光电效应里面：包括内电光与外电光 效应，都存在着一个阀值波长问题
探测器的噪声
一般光电系统的噪声：
目标 光学系统 探测器
前放
信号处理
显示
光子噪声
探测噪声
处理电路噪声
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合
噪声， 温度噪声，1/f噪声
780
xv km 380 v()xe ()d
辐
射
人眼
度
光 度 学
光度学(Photometry)
辐射度量与光度量的一一对应关系： （参见书本的的第4页） 注意的是： 探测器的的性能参数可能用不同的单位来量，
但其本质是一致的。 加深理解：参见课后练习（1—1).
半导体光电器件
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制 成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。 光明电阻的特点： 光谱响应范围宽 工作电流大 所测的光强范围广 灵敏度高 偏置电压低，无极性之分 不足之处是：在强光下线性较差，光电驰豫过程较 长，频率响应低。
第四讲 半导体基本知识
② PN结外加反向电压 结外加反向电压
流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的， 流过 结的电流主要是少子的漂移决定的，称为 结的电流主要是少子的漂移决定的 PN结的反向电流。 结的反向电流 结的反向电流。 PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小 结的反向电流很小， 结的反向电流很小 基本无关。 结表现为很大的电阻 称之截止。 结表现为很大的电阻， 基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。
3. PN结的形成 结的形成
浓度差引起载流子的扩散。 浓度差引起载流子的扩散。
扩散的结果形成自建电场。 扩散的结果形成自建电场。
空间电荷区也称作 “耗尽区” “势垒 耗尽区” 区”
3. PN结的形成 结的形成
自建电场阻止扩散，加强漂移。 自建电场阻止扩散，加强漂移。
动态平衡。 动态平衡。 扩散=漂移 扩散 漂移
晶体共价键结构平面示意图
本征半导体的特性
(1)本征半导体在绝对零度（T=0K相当于 － 本征半导体在绝对零度（ 相当于T=－ 本征半导体在绝对零度 相当于 273℃）时，相当于绝缘体。在室温条件下，本 相当于绝缘体。在室温条件下， ℃ 征半导体便具有一定的导电能力。 征半导体便具有一定的导电能力。 (2)在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时 在本征半导体中， 在本征半导体中 激发出一个自由电子， 便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生， 便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生， 称为电子空穴对。 称为电子空穴对。 (3)半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫 半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫 做本征激发（ 做本征激发（Intrinsic Excitation）。 ）。 (4)产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。 产生本征激发的条件： 产生本征激发的条件 加热、光照及射线照射。
02半导体及其本征特征2
3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)
原子能级 能带
量子态和能级
固体的能带结构
共价键固体中价电子的量子态和能级 共价键固体：成键态、反键态
反 成 键 态 原 子 能 级
成 键 态
半导体的能带结构
导 带
Eg
价 带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
作业
载流子的输运有哪些模式，对这些输运 模式进行简单的描述 设计一个实验：首先将一块本征半导体 变成N型半导体，然后再设法使它变成P 型半导体。
半导体器件物理基础
半导体器件物理基础
据统计：半导体器件主要有67种，另 外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： • pn结 •金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格
+4
+4
+4 自由电子
+4
+5 +4
+4 施主原子
+4
+4
+4
图 1.1.3
N 型半导体
二、 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。
+4 +4 空穴 +4
3 价杂质原子称为 受主原子。 空穴浓度多于电子 浓度，即 p >> n。空穴 为多数载流子，电子为 少数载流子。
+4 共 价 键 +4 +4 价 电 子 +4 +4 +4
当温度 T = 0 K 时，半导 体不导电，如同绝缘体。
模拟电子课件第一章_半导体材料及二极管
–20
I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
+4
+5
+4
+4
+4
什么是本征半导体(精)
习题六6-1 什么是本征半导体？什么是杂质半导体？各有什么特征？答：所谓本征半导体就是指完全纯净的、结构完整的半导体。
在本征半导体中掺入杂质后的半导体称为杂质半导体。
本征的半导体中的自由电子数量和空穴的数量是相等的，而杂质半导体中根据掺杂的元素不同可分为N 型半导体和P 型半导体，在N 型半导体中电子的浓度远远大于空穴的浓度，而P 型半导体恰恰相反。
6-2 掺杂半导体中多数载流子和少数载流子是如何产生的？答：在本征半导体中，由于半导体最外层有四个电子，它与周边原子的外层电子组成共价键结构，价电子不仅受到本身原子核的约束，而且受到相邻原子核的约束，不易摆脱形成自由电子。
但是，在掺杂的半导体中，杂质与周边的半导体的外层电子组成共价键，由于杂质半导体的外层电子或多（5价元素）或少（3价元素），必然有除形成共价键外多余的电子或不足的空穴，这些电子或空穴，或者由于受到原子核的约束较少容易摆脱，或者容易被其它的电子填充，就形成了容易导电的多数载流子。
而少数载流子是相对于多数载流子而言的另一种载流子，它是由于温度、电场等因素的影响，获得更多的能量而摆脱约束形成的。
6-3，黑表笔插入COM ，红表笔插入V/Ω（红笔的极性为“+”），将表笔连接在二极管，其读数为二极管正向压降的近似值。
用模拟万用表测量二极管时，万用表内的电池正极与黑色表笔相连；负极与红表笔相连。
测试二极管时，将万用表拨至R ×1k 档，将两表笔连接在二极管两端，然后再调换方向，若一个是高阻，一个是低阻，则证明二极管是好的。
当确定了二极管是好的以后就非常容易确定极性，在低阻时，与黑表笔连接的就是二极管正极。
6-4 什么是PN 结的击穿现象，击穿有哪两种。
击穿是否意味着PN 结坏了？为什么？ 答：当PN 结加反向电压（P 极接电源负极，N 极接电源正极）超过一定的时候，反向电流突然急剧增加，这种现象叫做PN 结的反向击穿。
击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿两种，齐纳击穿是由于PN 结中的掺杂浓度过高引起的，而雪崩击穿则是由于强电场引起的。
P型和N型半导体
P型和N型半导体如果杂质是周期表中第Ⅲ族中的一种元素──受主杂质，例如硼或铟，它们的价电子带都只有三个电子，并且它们传导带的最小能级低于第Ⅳ族元素的传导电子能级。
因此电子能够更容易地由锗或硅的价电子带跃迁到硼或铟的传导带。
在这个过程中，由于失去了电子而产生了一个正离子，因为这对于其它电子而言是个“空位”，所以通常把它叫做“空穴”，而这种材料被称为“P”型半导体。
在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的，因而在这种情况下电子是“少数载流子”。
如图1所示。
N型半导体如果掺入的杂质是周期表第V族中的某种元素──施主杂质，例如砷或锑，这些元素的价电子带都有五个电子，然而，杂质元素价电子的最大能级大于锗（或硅）的最大能级，因此电子很容易从这个能级进入第Ⅳ族元素的传导带。
这些材料就变成了半导体。
因为传导性是由于有多余的负离子引起的，所以称为“N”型。
也有些材料的传导性是由于材料中有多余的正离子，但主要还是由于有大量的电子引起的，因而（在N型材料中）电子被称为“多数载流子”。
如图2所示。
P型和N型半导体的应用由P型半导体或N型半导体单体构成的产品有热敏电阻器、压敏电阻器等电阻体。
由P型与N型半导体结合而构成的单结半导体元件，最常见的是二极管；此外，FET也是单结元件。
PNP或NPN以及形成双结的半导体就是晶体管。
（1）用于LEDLED在20世纪60年代诞生后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者，甚至有人认为LED将会开创一个新的照明时代，最终出现在所有需要照明的场合。
LED的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同，LED从本质上来说是一种半导体器件。
LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结(PNJunctionTransistors)。
PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻力，当对PN结施加正向电压时，电流从LED的阳极流向阴极，而在PN结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会转变成光而释放出来。
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)。