第1章半导体器件基础第1讲
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第一章 半导体器件基础
五、二极管的基本功能
3.二极管的限幅作用
把输入电压的变化范围加以限制叫做限幅，常用于波形变 换和整形。二极管正向导通后，它的正向管压降基本保持不变 （硅管为0.7V，锗管为0.2V）。利用这一特性，在电路中作为 限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。
ui / V
5
R
+
VD
0
+
-5
t
ui
3V
uo
四、二极管的主要参数
1.最大平均整流电流IF
二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流
2.最高反向工作电压UR
二极管正常工作时允许加的最大反向电压。为了确保二 极管安全工作，一般取反向击穿电压UBR的一半作为UR
3.反向电流IR
二极管加上最高反向工作电压时的反向电流。反向电流 越小，管子的单向导电性越好。另外，IR与温度密切相关， 使用时应注意。
_ _ _
_ _ _
_ _ _ _ _ _
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，如图所示
结论：
PN结外加正向电压（正偏）时处于导通状态，外加反向电 压（反偏）时处于截止状态
四、PN结
4.PN结的用途 • 整流半导体器件 • 可变电容 • 稳压器件
空穴的移动： 当出现空穴时，由于电场的作 用，与它相邻的价电子很容易离开 它所在的共价键而填补到这个空位 上，在电子原来的位置上留下空穴， 而其它电子又可以转移到这个新的 空位上，那么在晶体中就出现了电 荷移动。 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。
第一章半导体器件基础知识
第一节
第 一 节 半 导 体 的 基 本 知 识
第二节
第三节
第四节
第五节
江 西 应 用 技 术 职 业 学 院
3
第一章 半导体器件基础知识
本章概述
第一节
第二节
三、本征半导体 纯净的不含任何杂质、晶体结构排列整齐的半导体。 共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。半导体中 有自由电子和空穴两种载流子参与导电。 空穴产生：价电子获得能量挣脱原子核吸引和共价键束 缚后留下的空位，空穴带正电。
+ + VD
第二节
第 二 节 半 导 体 二 极 管
u
i
C
RL
uo
第三节
£ -
£ -
第四节
第五节
江 西 应 用 技 术 职 业 学 院
21
第一章 半导体器件基础知识
六、特殊二极管
本章概述
第一节
1．发光二极管 发光二极管（LED）是一种将电能转换成光能的特殊二极管，它的外 型和符号如图1－12所示。在LED的管头上一般都加装了玻璃透镜。
R
+ VD +
ui Us O t
第一节
第二节
第 二 节 半 导 体 二 极 管
第三节
+
第四节
ui
Us
uo
uo Us O t
第五节
－
图1－８ 单向限幅电路 江 西 应 用 技 术 职 业 学 院
18
－
－
第一章 半导体器件基础知识
本章概述
(2)双向限幅电路 通常将具有上、下门限的限幅电路称为双向限幅电路，电路 及其输入波形如图1-９所示。图中电源电压U1、U2用来控制它的上、 下门限值。
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。
半导体器件基础 第1章(第二版)PPT课件
电 子的浓度是一定的，反向电流在一定
的电压范围内不随外界电压的变化而
子 变化，这时的电流称为反向饱和电流，第
技 以IR(sat) 表示。
一
术 章
基
础
电
少数载流子的浓度很小，由
子 此而引起的反向饱和电流也很小， 技 但温度的影响很大。表1.2.1是硅 第
管的反向电流随温度的变化情况 一
术 章
基
础
三、PN结的伏安特性
一
术 温度每升高8℃，硅的载流子浓度增加一倍。
章
基
+4
+4
+4
+4
+4
+4 自
由
础
+4
+4
+4
+4
+4
+4 电
子
空穴
+4
+4
+4
+4
+4
+4
1.1.3 杂质半导体的导电特性
电
掺杂后的半导体称为杂质半导体，
子 杂质半导体按掺杂的种类不同，可分为N 第
技 型（电子型）半导体和P型（空穴型）半
一
术 导体两种。
1.2.1 PN结的形成
电
当P型半导体和N型半
子 导体相互“接触”后，在
它们的交界面附近便出现
第
技 了电子和空穴的扩散运动。
一
术 N区界面附近的多子电子将 基 向P区扩散，并与P区的空
同样，P区界面形章 成一个带负电的薄电
础穴复合，N区界面附近剩下 荷层。于是在两种半 了不能移动的施主正离子， 导体交界面附近便形
成了一个空间电荷区，
第1章-半导体器件基础
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
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）。
二、P 型半导体
ui
ui
RL
uo
t
uo t
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR RL
uR
t
uo t
uo
t
1.2.5 稳压二极管
-
曲线越陡， I
电压越稳
定。
+
UZ
稳压
动态电阻： 误差
r U Z
Z
I Z
rz越小，稳 压性能越好。
UZ
IZ
U IZ IZmax
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ
（2）电压温度系数U（%/℃）
基区空穴
向发射区
的扩散可
忽略。
B
进 少入部P分区与R的基B 电区子的
空穴复合，形成
电流IBEE，B 多数
扩散到集电结。
C
N
第01章 半导体器件基础
符号中发射极上的箭头方向， 符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流 向。 三极管制作时，通常它们的基区做得很薄（ 三极管制作时，通常它们的基区做得很薄（几微米到几十 基区做得很薄 微米） 掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则比较高； 微米），且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则比较高；集电区 的面积则比发射区做得大， 的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条 件。
7
c
(b)合金型(PNP) )合金型( )
1.3.1 三极管的结构及符号
三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管 硅三极管； 三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管；也可 以由锗材料制成，称为锗三极管。 以由锗材料制成，称为锗三极管。 锗三极管 三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高 三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高 频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管 大功率管、 频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率 小功率管。 管和小功率管。 一般高频管功率就比较小 ， 因为频率高就要结电容小 ， 一般 高频管功率就比较小， 因为频率高就要结电容小， 高频管功率就比较小 PN结面积就要小，面积小电流就不能太大，功率也就低。 结面积就要小， 结面积就要小 面积小电流就不能太大，功率也就低。 大功率管的工作频率也不高，因为大功率就要大电流， 大功率管的工作频率也不高，因为大功率就要大电流，大 电流就要PN结面积够大 结面积够大， 结电容也大 工作频率自然低。 结电容也大， 电流就要 结面积够大，PN结电容也大，工作频率自然低。
18
2. 晶体管的电流放大原理
（2）交流电流放大系数 ）
在共射极放大电路中，当有输入电压 作用时， 在共射极放大电路中，当有输入电压∆ui作用时，则晶体 管的基极电流将在I 的基础上叠加动态电流∆i 管的基极电流将在 B的基础上叠加动态电流 B，集电极电 流也将在I 的基础上叠加动态电流∆i 通常将集电极电流 流也将在 C的基础上叠加动态电流 C。通常将集电极电流 变化量∆i 与基电极电流变化量∆i 之比定义为“ 变化量 C与基电极电流变化量 B之比定义为“共射极交流 电流放大系数” 表示。 电流放大系数”，用β 表示。即：
7
c
(b)合金型(PNP) )合金型( )
1.3.1 三极管的结构及符号
三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管 硅三极管； 三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管；也可 以由锗材料制成，称为锗三极管。 以由锗材料制成，称为锗三极管。 锗三极管 三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高 三极管从应用的角度讲，种类很多。根据工作频率分为高 频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管 大功率管、 频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率 小功率管。 管和小功率管。 一般高频管功率就比较小 ， 因为频率高就要结电容小 ， 一般 高频管功率就比较小， 因为频率高就要结电容小， 高频管功率就比较小 PN结面积就要小，面积小电流就不能太大，功率也就低。 结面积就要小， 结面积就要小 面积小电流就不能太大，功率也就低。 大功率管的工作频率也不高，因为大功率就要大电流， 大功率管的工作频率也不高，因为大功率就要大电流，大 电流就要PN结面积够大 结面积够大， 结电容也大 工作频率自然低。 结电容也大， 电流就要 结面积够大，PN结电容也大，工作频率自然低。
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2. 晶体管的电流放大原理
（2）交流电流放大系数 ）
在共射极放大电路中，当有输入电压 作用时， 在共射极放大电路中，当有输入电压∆ui作用时，则晶体 管的基极电流将在I 的基础上叠加动态电流∆i 管的基极电流将在 B的基础上叠加动态电流 B，集电极电 流也将在I 的基础上叠加动态电流∆i 通常将集电极电流 流也将在 C的基础上叠加动态电流 C。通常将集电极电流 变化量∆i 与基电极电流变化量∆i 之比定义为“ 变化量 C与基电极电流变化量 B之比定义为“共射极交流 电流放大系数” 表示。 电流放大系数”，用β 表示。即：
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
第一章 半导体器件基础讲义
第一章半导体器件基础讲义1.1半导体的基本知识一、半导体材料导体电阻率半导体绝缘体电阻率<10－4Ωcm >1010Ωcm，·典型半导体材料：硅（Silicon ,元素符号Si）锗（Germanium,元素符号Ge）化合物半导体如砷化镓（GaAs）等·半导体三特点：热敏性；②光敏性；③杂敏性。
·半导体导电能力与晶体结构的关系――半导体的导电能力取决于它的原子结构。
·硅原子结构简化模型：·硅原子的晶体结构：共价键。
·半导体指纯净的、结构完整的晶体·共价键内载流子的运动方式――价电子是可以在共价键内运动的。
二、本征半导体·T=0K（约为－273℃）时，所有价电子均被束缚在共价键内，不能导电。
·热激发T↑→价电子的热运动获得能量→摆脱共价键的吸引→成为自由电子，同时留下一个空位→相关原子成为正离子――中性原子的电离过程。
·空穴可以移动的，带正电荷的载流子。
空穴的运动形式――价电子在共价键内移动。
·半导体内的两种载流子：自由电子和空穴――两者带电量相同而极性相反，且均可移动。
·自由电子和空穴成对产生源于温度，称为热激发。
·热敏性T↑，热激发加剧，自由电子和空穴的浓度↑，电阻率↓。
·复合自由电子和空穴相遇，自由电子和空穴成对消失的过程。
·从能量的角度看激发和复合热激发是价电子获得能量摆脱共价键束缚的过程，复合则是自由电子释放出所获得的能量重新被共价键俘获的过程。
·热平衡浓度T↑→自由电子和空穴浓度↑→复合↑→动态平衡。
表现为在此温度下电子和空穴对的浓度宏观上不再变化。
称为此温度下的热平衡浓度。
温度提高后，热激发产生的自由电子－空穴对的数量出现新的增长，带动复合数量的增长，最终达到新的动态平衡，在新的温度下形成新的热平衡浓度。
·室温下，硅中载流子的热平衡浓度只有约1010/cm3，导体中自由电子浓度约1022/cm3，且不随温度而变。
第1章半导体器件基础
E = 200 lx
符号 2. 主要参数
E = 400 lx
特性
工作条件： 反向偏置
u
电学参数： 暗电流，光电流，最高工作范围
光学参数：
光谱范围，灵敏度，峰值波长
实物照片
模电拟 电子子 技技术 术
1.2.6 二极管应用举例
例1：已知ui是幅值为10V的正弦信号，试画出ui和uo 的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。
模电拟 电子子 技技术 术
例二：在图示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压 UZ=6V，最小稳定电流Izmin=5mA，最大稳定电流Izmax=25mA； 负载电阻RL=600Ω。求解限流电阻R的取值范围。
分析：
由KCL I R I DZ I L
I DZ
UI
UZ R
UZ RL
而 5mA IDZ 25mA
(击穿电压 < 4 V，负温度系数)
雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，当反向电压增加到较
大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与 共价键中的价电子相碰撞，把价电了撞出共价键，产生 电子-空穴对。新产生的电子与空穴被电场加速后又撞 出其它价电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增 加，这种击穿称为雪崩击穿。 (击穿电压 > 7V，正温度系数)
模电拟 电子子 技技术 术
二、PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压(正向偏置)— forward bias
IF P 区
外电场
N区 内电场
扩散运动加强形成正向电流 IF
外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。
限流电阻
模电拟 电子子 技技术 术
2. 外加反向电压(反向偏置) — reverse bias
半导体器件物理课件1
5.半导体中的基本控制方程 1）连续性方程 粒子数守恒：
利用电流密度表达式：
（1-212）
在一维情况下，取电流沿x方向：
半导体物理基础
1.6非平衡载流子
5.半导体中的基本控制方程 2）泊松方程
在饱合电离的情况下：
（1-220）
设空间电荷所形成的电势分布为 ，则 与 之间满 足泊松方程：
为自由空间电容率，其数值为
半导体物理基础
1.6非平衡载流子
3.修正的欧姆定律
其中： 分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在 形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散 的综合效应。 从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即
）是电流为零的条件。处于热平衡的 半导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的 费米能级。
Ø光学波 特点：对于光学波，相邻两种不同原子 的振动方向是相反的。原胞的质心保持 不动，由此也可以定性的看出，波长很 长的光学波（长光学波）代表原胞中两 个原子的相对振动。
晶格振动能量的量子化 ---声子
半导体物理基础
2.载流子的散射
1）平均自由时间与驰豫时间 载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之
第一章 半导体物理基础
●半导体中的电子状态 ●载流子的统计分布 ●简并半导体 ●载流子的散射 ●载流子的输运 ●非平衡载流子
概述
1、本课程的主要内容 2、本课程的考核方式、答疑时间
半导体物理基础
1.1半导体中的电子状态
●半导体中电子的波函数和能量谱值 ●能带 ●有效质量 ●导带电子和价带空穴 ●Si/Ge/GaAs的能带结构 ●杂质和缺陷能级
这些就是本课程的主要内容。
半导体物理基础
半导体物理基础
第1讲-半导体基本器件PPT课件
N
.
11
1.1.3 PN结
PN 结中载流子的运动:
P
1. 扩散运动 电子和空穴 浓度差形成多数 载流子的扩散运 动。
2. 扩散运动
P
形成空间电荷区
—— PN 结，耗 尽层。
.
耗尽层 空间电荷 区
N N
12
1.1.3 PN结
3. 空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间产生电位差，形成内电场，
阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
• 1、理想型（电源电压很高时） • 2、恒压降模型（简单，较准确） • 3、折线型（更真实一些）
.
19
1.2.2 二极管电路：（简化模型）
• 例1： E=5V，R=5KΩ， 分别用3种模型求：I=？
I=5V/5KΩ=1mA
(理想型)
I=（5-0.7）/5KΩ=0.86mA
（恒压降型）
I=（5-0.7）/（5K+0.2K)=0.83mA （折线型）
4. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升
高，基本按指数规律增加。
.
5
1.1.2 杂质半导体
杂质半导体有两种
N 型半导体 P 型半导体
1. N 型半导体(Negative)
在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如 磷、锑、砷等，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。
.
7
1.1.2 杂质半导体
1. N 型半导体(Negative)
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
第一讲 半导体器件基础讲解
2018/9/25
37
二、电流放大原理
1、晶体管内部载流子的 运动（以NPN型管为例）
IC=ICE C ICE N P N E IE
38
B RB EB
2018/9/25
IB
从基区扩散 来的电子作 为集电结的 少子，漂移 EC 进入集电结 而被收集， 形成ICE。
二、电流放大原理
直流放大倍数
I CE I C I BE I B
42
2、输入特性
UCE =0.5V
UCE=0V
IB(A)
80
UCE 1V
工作压降： 硅管UBE0.6~0.7V 锗管UBE0.2~0.3V
60
死区电压 40 硅管0.5V 20 锗管0.2V
0.4
2018/9/25
0.8
UBE(V)
43
输入特性曲线的特点
（1）UCE=0，相当于两个二极管 并联运用。 （2）UCE≠0时，整个曲线往右移 当UCE＞0.5V后，曲线几乎重合
掺入三价元素，如硼(B)、铝(Al)、铟(In)。
负离子状态：
易接受其它自由电子
2018/9/25
16
图示： P型半导体结构示意图
空穴
+4 +4 +4
空位
+4 +4 +3 三价 原子 +4
+4
+4
+4
2018/9/25
17
P型半导体
P型半导体：空穴型半导体
多子(Majority) ：空 穴(Hole) 少子(Minority ：自由电子(Free Electron)
最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率
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二、电流放大原理
1、晶体管内部载流子的 运动（以NPN型管为例）
IC=ICE C ICE N P N E IE
38
B RB EB
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IB
从基区扩散 来的电子作 为集电结的 少子，漂移 EC 进入集电结 而被收集， 形成ICE。
二、电流放大原理
直流放大倍数
I CE I C I BE I B
42
2、输入特性
UCE =0.5V
UCE=0V
IB(A)
80
UCE 1V
工作压降： 硅管UBE0.6~0.7V 锗管UBE0.2~0.3V
60
死区电压 40 硅管0.5V 20 锗管0.2V
0.4
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0.8
UBE(V)
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输入特性曲线的特点
（1）UCE=0，相当于两个二极管 并联运用。 （2）UCE≠0时，整个曲线往右移 当UCE＞0.5V后，曲线几乎重合
掺入三价元素，如硼(B)、铝(Al)、铟(In)。
负离子状态：
易接受其它自由电子
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图示： P型半导体结构示意图
空穴
+4 +4 +4
空位
+4 +4 +3 三价 原子 +4
+4
+4
+4
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P型半导体
P型半导体：空穴型半导体
多子(Majority) ：空 穴(Hole) 少子(Minority ：自由电子(Free Electron)
最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率
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P型半导体
硅原子
+4
电子空穴对
空穴
+4 +4
P型半导体
空穴
－ － －－
+4
硼原子
+3 +4
－ － －－ － － －－
+4
+4 +4
受主离子
多数载流子—— 空穴
少数载流子——自由电子
P型半导体
P型半导体中的载流子是什么？
1.由受主原子提供的空穴，浓度与受主 原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。
两种半导 体导电性 能都很弱
本征半导体的导电机理 总结
本征半导体存在数量相等的两种载流子： 自由电子和空穴。电子与空穴电荷量相等， 极性相反。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高，因此本征半 导体的导电能力越强。温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
+4
+4 +4
+4
+4 +4
空穴
自由电子
+4
+4 +4
电子空穴对
可见本征激发同时 产生电子空穴对。
外加能量越高（ 温度越高），产生的 电子空穴对越多。
与本征激发相反 的现象——复合
在一定温度下， 本征激发和复合同 时进行，达到动态 平衡。电子空穴对 的浓度一定。
车 报警与安全装置
安全带、车灯未关报警、 速度报警、安全气囊报警
电 旅居性
子 仪表
空调控制、动力窗控制
娱乐通讯
里程表、数字式速度表、出租 车用仪表
收音机、汽车电话、业余电台
智能小区
第一章 半导体器件基础
第一章 半导体器件基础
半导体器件是近代电子学的重要组 成部分。
体积小、重量轻、使用寿命长、输 入功率小、功率转换效率高等优点而 得到广泛的应用。
少子
多子
飘移
扩散
又失去多子，耗尽层宽，E↑
内电场E P型半导体 耗尽层 N型半导体
－ － －－ + + + +
－ － －－ + + + +
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
束缚电子
+4
+4 +4
+4
+4 +4
空穴
自由电子
+4
+4 +4
这一现象称为本征激发， 也称热激发。
当温度升高或受 到光的照射时，束缚 电子能量增高，有的 电子可以挣脱原子核 的束缚，而参与导电 ，称为自由电子。
第1章半导体器件基础第1讲
主要教学内容
模
二极管
拟 电子元器件 三极管
电
集成电路…
子
放大
技 电子电路及其应用 滤波
术
电源…
电子技术的应用
信号检测
• 压力、温度、水位、 流量、气体等的测 量与调节
• 电子仪器
• ……
压力1 传感器
压力2 传感器
... ... ...
温度1 传感器
温度2 传感器
放大
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主 原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂元素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）。
（2） P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素， 例如硼、镓等，称为P型半导体。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 空穴浓度远大于自由电子浓度。在P型半导体中空 穴是多子，电子是少子。
杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
少子—电子
少子—空穴
多子浓度——与温度无关 少子浓度——与温度有关
1.1 半导体基本知识
1.1.1 导体、绝缘体和半导体
在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它 们划分导体、绝缘体和半导体。
导体：容易导电的物质，如铜、铝、铁、银等。
绝缘体：不导电的物质，如塑料、陶瓷、石英、 橡胶等。 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物 质。常用的有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。
模 数
计 算
数 模
滤波 转 机 转
叠加
换
数 据
换
组合 电 处 电
路 理路
.. .
驱动 电路
执行 机构
驱动 执行
电.路 . .
机.构 . .
驱动 电路
执行 机构
驱动 电路
执行 机构
汽车电子
电源 发动机装置
汽 行驶装置
点火装置、燃油喷射控制、发 动机电子控制装置
车速控制、间歇刮水、除雾装 置、车门紧缩
典型的半导体是硅(Si)和锗(Ge)， 它们都是4价元素。
si
硅原子
GG ee
+ 44
锗原子
硅和锗最外层轨 道上的四个电子 称为价电子。
1.1.2 本征半导体
本征半导体——纯净且晶格方向一致的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
本征半导体的共价键结构
1.2 PN结与半导体二极管
1.2.1 PN结的形成
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区
形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。
内电场E P型半导体空间电荷区 N型半导体
－ － －－ + + + +
－ － －－ + + + +
－－－
PN结
少子漂移电流
－+ 耗尽层
+ ++ 多子扩散电流
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E↓
1.1.3 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。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半 导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂 质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。
N-Negative
P-Positive
1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素， 例如磷，砷等，称为N型半导体。
N型半导体
硅原子 + 4
多余电子
+4
磷原子
+4
+4
+4电子空穴对 自由电子Fra bibliotekN型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
+4 +4
++ + +
多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴
施主离子
N型半导体
N型半导体中的载流子是什么？
本征半导体的 导电机理：
－ +4
E
＋
+4
+4 自由电子
+4
+4 +4
+4
+4
+4
载流子
自由电子 带负电荷 电子流 空穴 带正电荷 空穴流
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。
在常温下(T=300K )，
硅：ni pi 1.4 31100 /cm 3
锗：ni pi 2.51103/cm 3 原子密度： 51022/cm 3