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半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识半导体器件的基本知识，真是个神奇的世界。
咱们常常提到“半导体”，脑海里浮现出那些小小的芯片，觉得它们离我们有点遥远。
其实，半导体就在我们身边，像个无形的助手，让生活变得更加便利。
一、半导体的基本概念1.1 半导体是什么？半导体，简单来说，就是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它们在某些条件下能导电，在其他情况下又不导电。
是不是听上去有点神秘？其实，最常见的半导体材料就是硅。
我们用的手机、电脑，里面的处理器，几乎都离不开硅的身影。
1.2 半导体的特性半导体有很多奇妙的特性，比如它的电导率。
温度变化、杂质掺入，都会影响它的导电性能。
说白了，半导体的电性就像人心一样，瞬息万变。
通过控制这些特性，工程师们可以设计出各种各样的电子器件。
二、半导体器件的类型2.1 二极管咱们来聊聊二极管。
这小家伙看似简单，却是半导体世界的基石。
二极管只允许电流朝一个方向流动。
它就像个单行道，确保电流不走回头路。
常见的应用就是整流器，把交流电转成直流电。
这在生活中非常重要，大家用的手机充电器，就离不开二极管的帮助。
2.2 晶体管接下来是晶体管。
晶体管的发明可谓是科技界的一场革命。
它不仅能放大电信号，还能用作开关，控制电流的流动。
晶体管的出现，让电子产品变得更小、更快。
你知道吗？现代计算机的核心，CPU，里面就有成千上万的晶体管在默默工作。
2.3 其他器件还有很多其他的半导体器件，比如场效应管、光电二极管等。
每种器件都有其独特的用途和应用领域。
它们一起构成了一个复杂而又和谐的生态系统。
可以说，半导体器件的多样性是现代科技发展的动力。
三、半导体的应用3.1 消费电子说到应用，咱们首先想到的就是消费电子。
手机、平板、电视，都是半导体的舞台。
随着科技的进步，半导体技术不断演变，产品功能越来越强大，性能越来越高。
可以说，半导体让我们的生活变得丰富多彩。
3.2 工业应用除了消费电子，半导体在工业中也大显身手。
自动化设备、传感器、控制系统，全都依赖于半导体技术的支持。
半导体知识点总结大全
半导体知识点总结大全引言半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能阻止电流的材料。
它是电子学领域中最重要的材料之一，广泛应用于集成电路、光电器件、太阳能电池等领域。
本文将对半导体的知识点进行总结，包括半导体基本概念、半导体的电子结构、PN结、MOS场效应管、半导体器件制造工艺等内容。
一、半导体的基本概念（一）电子结构1. 原子结构：半导体中的原子是由原子核和围绕原子核轨道上的电子组成。
原子核带正电荷，电子带负电荷，原子核中的质子数等于电子数。
2. 能带：在固体中，原子之间的电子形成了能带。
能带在能量上是连续的，但在实际情况下，会出现填满的能带和空的能带。
3. 半导体中的能带：半导体材料中，能带又分为价带和导带。
价带中的电子是成对出现的，导带中的电子可以自由运动。
（二）本征半导体和杂质半导体1. 本征半导体：在原子晶格中，半导体中的电子是在能带中的，且不受任何杂质的干扰。
典型的本征半导体有硅（Si）和锗（Ge）。
2. 杂质半导体：在本征半导体中加入少量杂质，形成掺杂，会产生额外的电子或空穴，使得半导体的导电性质发生变化。
常见的杂质有磷（P）、硼（B）等。
（三）半导体的导电性质1. P型半导体：当半导体中掺入三价元素（如硼），形成P型半导体。
P型半导体中导电的主要载流子是空穴。
2. N型半导体：当半导体中掺入五价元素（如磷），形成N型半导体。
N型半导体中导电的主要载流子是自由电子。
3. 载流子浓度：半导体中的载流子浓度与掺杂浓度有很大的关系，载流子浓度的大小决定了半导体的电导率。
4. 质量作用：半导体中载流子的浓度受温度的影响，其浓度与温度成指数关系。
二、半导体器件（一）PN结1. PN结的形成：PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散结合形成的。
2. PN结的电子结构：PN结中的电子从N区扩散到P区，而空穴从P区扩散到N区，当N区和P区中的载流子相遇时相互复合。
3. PN结的特性：PN结具有整流作用，即在正向偏置时具有低电阻，反向偏置时具有高电阻。
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
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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。
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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。
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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
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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。
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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。
半导体基础知识76654
这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
浓度差 多子的扩散运动
动画
形成空间电荷区
扩散的结果使空间电
动画
荷区变宽。
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２、ＰＮ结的单向导电性
PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负
PN 结变窄
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
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。
动画
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。 动画
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PN 结加反向电压（反向偏置
）
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
+++ +++ +++
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硅原子 空穴
P型半导体 Si Si
硼原子
B
Si
P型硅表示
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且 可以移动
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P型半导体
在本征半导体中, 掺入微量３价元素, 如硼、镓、铟等, 则 原来晶格中的某些硅 (锗)原子被杂质原子 代替。
＋4
＋4
＋4
受主 原子
＋4
半导体器件基础知识
半导体基础知识一、半导体本础知识（一）半导体自然界的物质按其导电能力区别，可分为导体、半导体、绝缘体三类。
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之前的物质，其电阻率在10-3~109Ω范围内。
用于制作半导体元件的材料通常用硅或锗材料。
（二）半导体的种类在纯净的半导体中掺入特定的微量杂质元素，能使半导体的导电能力大提高。
掺入杂质后的半导体称为杂质半导体。
根据掺杂元素的性质不同，杂质半导体可分为N型和P型半导体。
（三）PN结及其特性1、PN结：PN结是构成半导体二极管、三极管、场效应管和集成电路的基础。
它是由P型半导体和N型半导体相“接触”后在它们交界处附近形成的特殊带电薄层。
2、PN结的单向导电性：当PN结外加正向电压（又叫正向偏置）时，PN结会表现为一个很小的电阻，正向电流会随外加的电压的升高而急速上升。
称这时的PN结处于导通状态。
当PN结外加反向电压（以叫反向偏置）时，PN结会表现为一个很大的电阻，只有极小的漏电流通过且不会随反向电压的增大而增大，这时的电流称为反向饱和电流。
称这时的PN结处于截止状态。
当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。
这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大，可由1伏到几百伏，甚至高达数千伏。
3、频率特性由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。
导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。
二、半导体二极管（一）半导体二极管及其基本特性1、半导体二极管：半导体二极管（简称为二极管）是由一个PN结加上电极引线并封装在玻璃或塑料管壳中而成的。
其中正极（或称为阳极）从P区引出，负极（或称为阴极）从N区引出。
以下是常见的一些二极管的电路符号：普通二极管稳压二极管发光二极管整流桥堆2、二极管的伏安特性二极管的伏安特征如下图所示：二极管的伏安特性曲线（二）二极管的分类二极管有多种分类方法1、按使用的半导体材料分类二极管按其使用的半导体材料可分为锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管、磷化镓二极管等。
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
半导体基础知识
容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半 导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思， 一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导 电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质） 所形成的半导体。杂质半导体有两类：N 型半导体和 P 型半导体。
多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此 处受到破坏。
7．常用半导体材料的晶体生长方向有几种？
我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的，因此单晶表现出各向异性。单晶生长的这种方向直接来自晶 格结构，常用半导体材料的晶体生长方向是<111>和<100>。
29．半导体芯片制造对厂房洁净度有什么要求？
空气中的一个小尘埃将影响整个芯片的完整性、成品率，并影响其电学性能和可*性，所以半导体芯片制造工艺需 在超净厂房内进行。1977 年 5 月，原四机部颁布的《电子工业洁净度等级试行规定》如下：
电子工业洁净度等级试行规定
洁净室等 洁净度 温度（℃） 相对湿度 正压值 噪声
电阻率 ρ=1/σ，单位为 Ω*cm
9．PN 结是如何形成的？它具有什么特性？
如果用工艺的方法，把一边是 N 型半导体另一边是 P 型半导体结合在一起，这时 N 型半导体中的多数载流子电子 就要向 P 型半导体一边渗透扩散。结果是 N 型区域中邻近 P 型区一边的薄层 A 中有一部分电子扩散到 P 型区域中去了， 如图 2-6 所示（图略）。薄层 A 中因失去了这一部分电子 而带有正电。同样，P 型区域中邻近 N 型区域一边的薄层 B 中有一部分空穴扩散到 N 型区域一边去了，如图 2-7 所示（图略）。结果使薄层 B 带有负电。这样就在 N 型和 P 型两 种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层 A 和 B（其中 A 带正电，B 带负电）。A、B 间便产生了一个电场， 这个带电的薄层 A 和 B，叫做 PN 结，又叫做阻挡层。
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第一章 常用半导体器件
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一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代， 磷原子的最外层有五个价电子，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，这个 电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子， 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个 磷原子给出一个电子，称为施主原子。
半导体的电阻率为10-3～109 cm。
半导体材料： 元素半导体： 硅（Si）、锗（Ge） 化合物半导体： 砷化镓（GaAs）
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半导体器件中用的最多的是硅和锗。
半导体的特点：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
• 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。
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2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
在其它力的作用下，空
穴吸引附近的电子来填
+4
+4
补，这样的结果相当于 空穴的迁移，而空穴的
迁移相当于正电荷的移
+4
+4
动，因此可以认为空穴 是载流子。
动画演示
第一章 常用半导体器件
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在常温下，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。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
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16
本征激发 动画演示
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自 由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征 激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
18
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靠相邻共价键中的 价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的 导电能力不如自由电子。
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本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
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二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或铟）层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时， 空穴
产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补，
+4
+4
使得硼原子成为不能移动
的带负电的离子。由于硼 原子接受电子，所以称为
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12
第一章 常用半导体器件
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13
硅和锗的共价键结构
+4表示 除去价电 子后的原
子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
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14
形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
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二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
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10
§ 1.1.1 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
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
通过一定的工艺过程，可以将半导体材料制成晶体。
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本征半导体——化学成分纯净的半导体。 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”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
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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）。
ni A3T /2eEg/2o k T
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上式中的各参数的意义和值可见教材P3 从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能 随温度升高而迅速增大，这一点在今后的学习中 非常重要。
注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很 小的百分数，比如：硅的原子密度为
4.96×1022cm-3
+3
+4
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
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三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
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7
第一章 常用半导体器件
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8
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
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。
第一章 常用半导体器件
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可以证明：热平衡载流子浓度（即单位体积内的 载流子数）的值为ni、pi（表示自由电子浓度值 和空穴浓度值）：
ni 1.5×1010cm-3，可见本
征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率
约为2.2×105Ωcm）。
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§ 1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。