半导体器件基础(4)
半导体器件基础
半导体器件基础半导体器件是现代电子技术中极其重要的组成部分，它们广泛应用于电子设备和通信系统中。
本文将介绍半导体器件的基础知识，包括半导体材料、PN结、二极管、晶体管和集成电路。
一、半导体材料半导体器件的核心是半导体材料。
半导体材料是介于导体和绝缘体之间的材料，它的导电性能在室温下较低，但在特定条件下可被控制增强。
常见的半导体材料有硅和锗。
半导体材料的导电特性取决于其原子晶格的结构和杂质的掺入。
二、PN结PN结是半导体器件中常见的结构之一。
它由一个掺杂有三价杂质的P区和一个掺杂有五价杂质的N区组成。
在PN结中，P区的杂质原子会释放出空穴，而N区的杂质原子则释放出电子。
当P区和N区相接触时，空穴和电子将发生复合，形成电势垒。
这种电势垒在正向偏置和反向偏置下表现出不同的特性。
三、二极管二极管是最简单的半导体器件之一。
它由PN结组成，具有两个引线，分别为阴极和阳极。
二极管可用于整流、开关和发光等应用。
在正向偏置下，电流可以顺利通过二极管；而在反向偏置下，电流将被截断。
四、晶体管晶体管是半导体器件的一种重要类型。
它由三个掺杂不同的区域组成，分别为发射极、基极和集电极。
晶体管可用于放大、开关和振荡等电路中。
具体而言，当有电流流经基极时，晶体管将放大电流，并将其从发射极传递到集电极。
五、集成电路集成电路是将大量的半导体器件和电子元件集成在单个芯片上的技术。
它是现代电子技术发展的重要里程碑，使得电子设备更小、更强大。
集成电路分为两种主要类型：模拟集成电路和数字集成电路。
模拟集成电路用于处理连续变化的信号，而数字集成电路则用于处理离散的数字信号。
综上所述，半导体器件作为现代电子技术的基础，具有广泛的应用前景。
通过了解半导体材料、PN结、二极管、晶体管和集成电路等基础知识，我们可以更好地理解和应用半导体器件，推动电子技术的进步和创新。
半导体器件基础4
比较平坦的部分, 表示当ＩＢ一定时, ＩＣ的值基本上不随 ＵCE而变化。在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量 ΔＩＢ时, 相应的集电极电流将产生较大的变化量ΔＩＣ, 此
时二者的关系为
ΔＩＣ＝βΔＩＢ
该式体现了三极管的电流放大作用。
对于ＮＰＮ三极管, 工作在放大区时ＵＢＥ≥０.７V, 而 ＵＢＣ＜０。
I C 1 . 74 58 I B 0 . 03
2 . 33 1 . 14 0 . 983 2 . 37 1 . 16
1 . 74
0 . 983
1 . 77
第1章 半导体器件基础
1.3.4 三极管的特性曲线
Rc IC ＋
mA
－
Rb
IB
A
＋
＋
U CC
(1-8)
第1章 半导体器件基础
发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极, 形成
集电极电流, 即要求ＩＣｎ>>ＩＢｎ。
通常用共基极直流电流放大系数衡量上述关系, 用α
来表示, 其定义为
ICn
ICn
(1-9)
IEn IE
一般三极管的α值为0.97～0.99。将(１-９)式代入(１-６) 式,
其中ICEO称为穿透电流,
ICEO(1)ICBO
一般三极管的β约为几十～几百。β太小, 管子的放大能 力就差, 而β过大则管子不够稳定。
第1章 半导体器件基础
表1 - 3 三极管电流关系的一组典型数据
IB/mA -0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.96
半导体器件基础
半导体器件基础一、引言半导体器件是现代电子技术的基础，广泛应用于通信、计算机、消费电子等各个领域。
本文将对半导体器件的基础知识进行介绍，包括半导体材料、PN结、二极管和晶体管。
二、半导体材料半导体器件的制作材料主要是硅（Si）和锗（Ge）。
这两种材料的原子结构中，外层电子数与内层电子数相差较小，使得它们具有较好的导电性能。
此外，硅和锗还具有稳定的化学性质和较高的熔点，适合用于制作半导体器件。
三、PN结PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
它由一个P型半导体和一个N型半导体组成。
在PN结中，P型半导体中的空穴（正电荷）和N型半导体中的电子（负电荷）会发生扩散，形成空间电荷区。
空间电荷区中的电荷分布形成了电场，使得PN结两侧形成了正负电势差。
当外加电压使得PN结正向偏置时，空间电荷区变窄，电流可以通过；当外加电压使得PN结反向偏置时，空间电荷区变宽，电流无法通过。
PN结的这种特性使其成为二极管和晶体管等器件的基础。
四、二极管二极管是一种最简单的半导体器件，由PN结组成。
二极管具有只能单向导通电流的特性，即正向偏置时电流可以通过，反向偏置时电流无法通过。
二极管广泛应用于电路中的整流、限流和保护等功能。
五、晶体管晶体管是一种三层PN结的器件，由发射极、基极和集电极构成。
晶体管的工作方式取决于PN结的偏置状态。
当PN结适当偏置时，发射极和集电极之间的电流受到基极电流的控制。
晶体管可以放大电流和信号，广泛应用于放大器、开关和逻辑电路等领域。
六、其他半导体器件除了二极管和晶体管，半导体器件还包括场效应晶体管（FET）、可控硅（SCR）等。
FET是一种基于电场控制的器件，具有高输入阻抗和低噪声的特点，适用于放大和开关电路。
SCR是一种具有双向导通特性的器件，广泛应用于交流电控制领域。
七、结论半导体器件基础知识对于理解和应用现代电子技术至关重要。
本文介绍了半导体材料、PN结、二极管和晶体管等基本概念。
通过深入学习和理解半导体器件的基础知识，我们可以更好地应用和创新电子技术，推动科技进步和社会发展。
半导体器件基础
IF（多子扩散） 反向饱和电流 反向击穿电压 正偏
反偏 反向击穿 IR（少子漂移）
电击穿——可逆
2019年1月14日星期一5时11 分50秒
热击穿——烧坏PN结
11
根据理论分析：
i I S (e
u
UT
1)
T
UT =kT/q 称为温度的电压当量 u U 当 u>0 u>>UT时 e 1 其中k为玻耳兹曼常数 u 1.38×10－23 i I Se U T －9 q 为电子电荷量 1.6 × 10 u 当 u<0 |u|>>|U T |时 e U T 1 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） i IS 则有UT=26 mV。
3
－
E
+4 +4 +4
＋
自由电子
4、导电机制
+4 +4 +4
+4
自由电子 载流子 空穴 带负电荷 带正电荷
+4
电子流
+4
空穴流
＋
=总电流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
2019年1月14日星期一5时11 分50秒 4
二. 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为 杂质半导体。 硅原子
△I
I z ma x
△U
27
稳压二极管的主要 参数 (1) 稳定电压UZ ——
在规定的稳压管反向工作电流IZ下 ，所对应的反向工作电压。
UZ
i
(2) 动态电阻rZ ——
陡。
I z min
△I
半导体基础知识
设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V
VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
A BY 0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
A BY 0 00 0 11 1 01 1 11
二极管构成的门电路的缺点
• 电平有偏移 • 带负载能力差
第三章 门电路
3.1 概述 • 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如
与门、与非门、或门 ······
门电路中以高/低电平表 示逻辑状态的1/0
获得高、低电平的基本原理
高/低电平都允许有 一定的变化范围
正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1
3.2半导体二极管门电路
T1 , T2同时导通
若T1 , T2参数完全对称，VI
1 2
VDD时，VO
1 2 VDD
三、输入噪声容限
在VI 偏离VIH 和VIL的一定范围内，VO 基本不变； 在输出变化允许范围内，允许输入的变化范围称为输入噪声容限
VNH VOH(min) VIH (min) VNL VIL(max) VOL(max)
• 硅管，0.5 ~ 0.7V • 锗管，0.2 ~ 0.3V
• 近似认为:
• VBE < VON iB = 0 • VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
iB
VBB VBE Rb
三极管的输出特性
• 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
iC f (VCE )
iC f (VCE )
三、双极型三极管的基本开关电路
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
精选课件
28
1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
精选课件
5
1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
精选课件
33
1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
精选课件
21
1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
精选课件
22
1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
半导体元器件基础
对。
二、齐纳击穿
在 重 掺 杂 的 PN 结 中 ， 耗 尽 区 很
窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区
内形成很强的电场。当反向电压大到一
定值时，强电场足以将耗尽区内中性原
子的价电子直接拉出共价键，产生大量
电子、空穴对，使反向电流急剧增大。
这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。 一 般 来 说 ， 对 硅 材 料 的 PN 结 ， UBR>7V 时 为 雪 崩 击 穿 ； UBR <5V 时 为 齐 纳 击 穿； UBR介于5~7V时，两种击穿都有。
界面的两侧形成了由等量正、负离子组 成的空间电荷区，如图1―7(b)所示。
空间电荷区
P
N
P
N
(a)
内电场
UB
(b)
图1―7PN结的形成
由于空间电荷区内没有载流子，所以
空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电
荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒
一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。
实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相
＋4
＋4
＋4
价
电 子
共 价
＋4
＋4
＋4
键
＋4
＋4
＋4
图1―2单晶硅和锗的共价键结构示意图
半导体中的载流子——自由电子和空穴
在绝对零度(-273℃)时，所有价电子都被束缚在共 价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导 电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能 量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱 共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时 在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，如 图1―3所示。
使P区电位低于N区电位的接法，称PN
半导体器件知识点
半导体器件知识点半导体器件是指基于半导体材料制造的用于控制和放大电信号的电子元件。
它在现代电子技术中扮演着重要的角色，广泛应用于计算机、通信、消费电子、能源等领域。
本文将介绍与半导体器件相关的几个重要知识点。
一、半导体材料半导体器件的核心是半导体材料。
半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料，具有一定的导电性能。
常见的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)等。
它们具有禁带宽度，当外加电场或温度变化时，半导体的导电性能会发生变化。
二、PN结PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
它由P型半导体和N型半导体的结合组成。
P型半导体中的载流子主要是空穴，N型半导体中的载流子主要是电子。
PN结的形成使得电子和空穴发生扩散运动，形成电场区域，从而产生电流。
三、二极管二极管是一种基本的半导体器件。
它由PN结组成，具有单向导电性能。
正向偏置时，电流顺利通过；反向偏置时，电流几乎无法通过。
二极管广泛用于电源电路、信号检测和电波混频等应用。
四、晶体管晶体管是半导体器件中的重要组成部分，常见的有三极管和场效应晶体管。
它可以实现电流放大和控制，是现代电子设备中的核心部件之一。
晶体管广泛应用于放大器、开关、时钟和计算机存储器等领域。
五、集成电路集成电路是将大量的晶体管、电阻、电容和其他元件集成在同一片半导体芯片上。
它具有体积小、功耗低和可靠性高的特点。
集成电路分为模拟集成电路和数字集成电路，应用于电子计算机、通信设备和消费电子产品等领域。
六、光电器件光电器件是利用光与半导体材料相互作用的器件。
常见的光电器件有光电二极管、光敏电阻、光电晶体管和光电开关等。
光电器件广泛应用于光通信、光电转换、激光器等领域。
七、功率半导体器件功率半导体器件是用于大电流和高电压应用的特殊半导体器件。
常见的功率半导体器件有晶闸管、功率二极管和功率MOSFET。
功率半导体器件广泛应用于电动车、工业控制和能源转换等领域。
八、封装技术为了保护和连接半导体芯片，需要进行封装。
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图1.7 PN结的形成
空间电荷区出现后，因为正负电荷的 作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。 内电场的方向，会对多数载流子的扩散运 动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少 数载流子（P区的自由电子和N区的空穴） 越过空间电荷区，进入对方。少数载流子 在内电场作用下有规则的运动称为漂移运 动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无 外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂 移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽 度保持一定而处于稳定状态。
第1章 半导体器件基础
1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半 导 体 三 极 管 1.4 场 效 应 管
1.1 半导体基础知识
自然界中的物质，按其导电能力可分 为三大类：导体、半导体和绝缘体。
半导体的特点： ①热敏性 ②光敏性 ③掺杂性
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、结构完整的半导体材料 称为本征半导体。
图1.9 PN结外加反向电压
PN结的单向导电性是指PN结外加正 向电压时处于导通状态，外加反向电压时 处于截止状态。
1.2 半导体二极管
1.2.1 二极管的结构及符号
半导体二极管同PN结一样具有单向导 电性。二极管按半导体材料的不同可以分 为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。 可分为点接触型、面接触型和平面型二极 管三类，如图1.10所示。
（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。
空穴的出现是半导体导电区别导体导电的 一个主要特征。
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中加入微量杂质，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
图1.12 常见的二极管外形
1.2.2 二极管的伏安特性及主要参数
1.二极管的伏安特性
二极管两端的电压U及其流过二极管 的电流I之间的关系曲线，称为二极管的 伏安特性。
（1）正向特性
图1.10 不同结构的各类二极管
图1.11所示为二极管的符号。由P端引 出的电极是正极，由N端引出的电极是负 极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD 是二极管的文字符号。
图1.11 二极管的符号
常见的二极管有金属、塑料和玻璃 三种封装形式。按照应用的不同，二极 管分为整流、检波、开关、稳压、发光、 光电、快恢复和变容二极管等。根据使 用的不同，二极管的外形各异，图1.12 所示为几种常见的二极管外形。
本征半导体中，自由电子和空穴成对 出现，数目相同。图1.2所示为本征激发所 产生的电子空穴对。
图1.2 本征激发产生电子空穴对
如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出 现以后，邻近的束缚电子（如图中位置2） 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（如图中位置3）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。
1.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。图1.1 所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。
图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构
2.本征激发和两种载流子
——自由电子和空穴
温度越高，半导体材料中产生的自由 电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自 由电子后，在原来的位置留有一个空位， 称此空位为空穴。
图1.5 P型半导体共价键结构
P型半导体中，空穴为多数载流子 （多子），自由电子为少数载流子（少 子）。P型半导体主要靠空穴导电。
1.1.3 PN结及其单向导电性
1. PN结的形成
多数载流子因浓度上的差异而形成的 运动称为扩散运动，如图1.6所示。
图1.6 P型和N型半导体交界处载流子的扩散
2. PN结的单向导电性
如果在PN结两端加上不同极性的电压， PN结会呈现出不同的导电性能。
（1）PN结外加正向电压
PN结P端接高电位，N端接低电位， 称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏 置，简称为正偏，如图1.8所示。
图1.8 PN结外加正向电压
（2）PN结外加反向电压
PN结P端接低电位，N端接高电位， 称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏 置，简称为反偏，如图1
2.P型半导体
在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微 量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等， 则构成P型半导体。
三价的元素只有三个价电子，在与相
邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于 缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空 位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量， 有可能填补这个空位，使原子成为一个不 能移动的负离子，半导体仍然呈现电中性， 但与此同时没有相应的自由电子产生，如 图1.5所示。
图1.3 束缚电子填补空穴的运动
3.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。
由于空穴和自由电子均是带电的粒子， 所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性 被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移 动的带异性电荷的离子层，称此离子层为 空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7 所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩 散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了， 因此又称空间电荷区为耗尽层。
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。自由电子参与导电移 动后，在原来的位置留下一个不能移动的 正离子，半导体仍然呈现电中性，但与此 同时没有相应的空穴产生，如图1.4所示。