现代电子线路02半导体性质共64页文档
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们的现代生活中，半导体扮演着至关重要的角色。
从智能手机到电脑，从汽车到家用电器，几乎处处都有半导体的身影。
那么，究竟什么是半导体呢？简单来说，半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
导体，比如金属，它们的导电性非常好，电流可以在其中自由流动。
而绝缘体，像橡胶、塑料等，几乎不导电。
半导体则处于这两者之间，它的导电性可以通过一些特殊的方法进行控制和改变。
常见的半导体材料有硅、锗等。
硅是目前应用最广泛的半导体材料，这是因为它在地球上的储量丰富，而且提纯和加工相对容易。
半导体的特性使得它能够实现许多独特的功能。
比如，它可以用于制造晶体管，这是现代电子设备中最基本的元件之一。
二、半导体的特性半导体具有一些独特的物理和化学特性，这些特性是其能够在电子领域发挥重要作用的关键。
其中一个重要特性是热敏性。
半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著改变。
在温度升高时，其电阻会减小；温度降低时，电阻则增大。
这一特性被广泛应用于温度传感器等设备中。
另一个特性是光敏性。
半导体在受到光照时，其导电性会发生变化。
基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等产品。
此外，半导体还具有掺杂特性。
通过向纯净的半导体中掺入少量杂质，可以显著改变其导电性。
比如掺入五价元素形成 N 型半导体，掺入三价元素形成 P 型半导体。
三、半导体的制造过程了解了半导体的基本特性，接下来我们看看半导体是如何制造出来的。
首先是原材料的准备。
通常使用的原材料是高纯度的硅。
为了获得高纯度的硅，需要经过一系列复杂的化学和物理过程，将硅从矿石中提纯出来。
然后是晶体生长。
这一步是将提纯后的硅制成单晶，常用的方法有直拉法和区熔法。
得到的单晶硅具有高度一致的晶体结构，这对于后续的半导体制造非常重要。
接下来是光刻工艺。
这是半导体制造中最为关键和复杂的步骤之一。
通过在硅片表面涂上光刻胶，然后用紫外线透过掩膜版进行照射，使光刻胶发生化学反应，从而在硅片上形成所需的图案。
现代电子线路02半导体性质
+4
束缚电子
+4
空穴 自由电子
在室温（300K）下，由于热激发，会使一些价电子获 得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子 （free electron），这种现象称为本征激发（intrinsic excitation）。
价电子成为自由电子后，共价键中就留下一个空位， 这个空位称为空穴（hole）。空穴的出现是半导体区 别于导体的一个重要特点。
价电子
Si
Ge
2020/10/2
硅原子
School of Physics, Peking University
锗原子
第二章 No.4
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。
在硅和锗的本征半导体中，
每个原子与其相临的原子
之间形成共价键，共用一
对价电子。
N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），取代晶体点阵中的某些半导体
+4
+4
原子，磷原子的最外层有五个价电子，其
中四个与相临的半导体原子形成共价键，
而多余的一个价电子因无共价键束缚而很
容易被激发而形成自由电子。
+5
+4
在N型半导体中自由电子是多数载流子 （majority carrier），它主要由杂质原 子提供；空穴是少数载流子（minority carrier）, 由热激发形成。
(conductor)、绝缘体(insulator)和半导体。
绝缘体
半导体
导体
1020 1016 1014 1012 106 104
石云 橡硬纯硅
英母 胶玻水、
璃
第一课现代电子线路02半导体性质
扩散运动（diffusion）
School of Physics, Peking University
第二章 No.16
2、PN结的单向导电性（unilateral conductivity）
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加
正向电压（forward bias），简称正偏；反之称为加反向电
第二章 No.2
二、共价键（covalent bond）结构
1、本征半导体（intrinsic semiconductor）
以最常见的半导体硅和锗为例，它们的最外层电子（即 价电子，valence electron）都是四个。
价电子
Si
Ge
2019/12/10
硅原子
School of Physics, Peking University
空穴（可看作带正电的粒子）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。
电流方向相同）。
2019/12/10
School of Physics, Peking University
第二章 No.7
negative
positive
3 EG
本征半导体载流子浓度： n(T ) p(T ) AT 2e 2kT
2、在纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，其导电能力会有 显著的增加。
常见的半导体有：硅、锗、Ⅲ-Ⅴ族化合物（如GaN、GaAs）、 Ⅱ-Ⅵ族化合物（如一些硫化物和氧化物）等，目前，硅半导体 制品约占整个半导体市场的95%。
2019/12/10
School of Physics, Peking University
1 4
,
1 4
半导体的导电特性课件
动画1-1本征半导体的导电特性
动画1-2空穴的运动
3 杂质半导体：
N型半导体（电子型半导体）
——在本征半导体中掺入五价杂质元素， 例如磷，可形成 N型半导体,也称电子 型半导体。
因五价杂质原子中四 个价电子与周围四个 半导体原子中的价电 子形成共价键，多余 的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形 成自由电子。
vi
RL vo
vo
t
例3：设二极管的导通电压忽略，已知
vi=10sinwt(V)，E=5V，画vo的波形。
vi 10v
5v
R
t
D
vo
vi
E
vo
5v
t
例4：电路如下图，已知v=10sin(t)(V)，
E=5V，试画出vo的波形
vi
解：
t
vD
t
例5：VA=3V, VB=0V，求VF (二极管的导 通电压忽略)
PN结区的少子在内电场的
作用下形成的漂移电流大
于扩散电流，可忽略扩散 电流，由于漂移电流是少子
外电场
形成的电流，故反向电流
非常小，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的 少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无 关，这个电流也称为反向饱和电流。
•P型半导体中空穴数>>自由电子数
•自由电子为 P型半导体的少数载流子，空穴为 P型半 导体的多数载流子
P型半导体简化图
Si
B
Si
Si
Si
Si
4 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:
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
《电工电子技术》课件——第六章 半导体
01
杂质半导体
杂质半导体
N型半导体
在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元素，杂质原子就替 代了共价键中某些硅原子的位置，杂质原子的四个价电子与周围的硅原 子结成共价键，剩下的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原 子的束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带 正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参 与导电。
空穴
自由 电子
• 在半导体中同时存在自由电子和空穴两种载流子参与导电，这种导 电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。
多参数组合的正弦交流电路
小 结
2.PN结 目录 CONTENTS
01 杂质半导体
02 PN结示意图
杂质半导体
相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少， 因此导电能力仍然很低。在如果在其中掺入微量的 杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们 把这些掺入杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半 导体可以分为N型和P型两大类。
• 一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱， 且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。
本征半导体与杂质半导体
当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能 量，因而能脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴” 。
1.半导体的基本知识 目录 CONTENTS
01 半导体的独特性能
02 本征半导体与杂质半导体
多参数组合的正弦交流电路
物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝 缘体3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等 金属都是良好的导体，；而像塑料、云母、陶瓷等 几乎不导电的物质称为绝缘体，；导电能力介于导 体和绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中属于 半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器 件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅 (Si)、锗(Ge)等。
补充章电子技术基础半导体技术知识.ppt
空间电荷区
扩散运动
(1-21)
PN结处载流子的运动
漂移运动
P型半导 体
－－－－ － － －－－－ － －
－－－－ － －
－－－－ － －
N型半导 内电场E 体
+ +++++ + + 内移+电运+场 动越越+ 强强+，，就而使漂漂移 + + 使+空+间电+ 荷+区变薄。
+ +++++
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
(1-33)
（4）微变电阻 rD
iD
ID
Q
iD
vD
VD
rD是二极管特性曲线工 作点Q附近电压的变化 与电流的变化之比：
rD
v D i D
vD
显然，rD是对Q附近的
微小变化量的电阻。
(1-34)
（5）二极管的极间电容
二极管的两极之间有电容，此电容由两 部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。
势垒区是积累空间电荷的区域，当电压 变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷 的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。
(1-26)
PN结正向偏置
变薄
+ P
－+ －+ －+ －+
内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的
扩散电流。_ N
外电场
内电场
(1-27)
PN结反向偏置
_ P
变厚
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强， 多子的扩散受抑 制。少子漂移加 强，但少子数量
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们的日常生活中，半导体扮演着至关重要的角色。
从智能手机、电脑到汽车、家电，几乎所有的现代电子设备都离不开半导体。
那么，究竟什么是半导体呢？简单来说，半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
导体，比如金属，具有良好的导电性，而绝缘体，如塑料、橡胶等，则几乎不导电。
半导体的独特之处在于，它的导电性可以通过控制杂质的含量和施加外部条件（如电场、光照、温度等）来改变。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
其中，硅是目前应用最广泛的半导体材料，这是因为它在地球上的储量丰富，且具有良好的物理和化学性质。
二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，正是这些特性使得它们在电子领域得到了广泛的应用。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著的改变。
利用这一特性，可以制成热敏电阻，用于温度测量、温度控制等方面。
2、光敏特性在光照的作用下，半导体的导电性会增强。
基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入少量的杂质元素，可以显著改变其导电性。
例如，在硅中掺入磷元素可以形成 N 型半导体，掺入硼元素则形成 P 型半导体。
三、半导体的制造工艺要将半导体材料制成可用的电子器件，需要经过一系列复杂的制造工艺。
1、晶圆制备首先，需要从硅矿石中提炼出高纯度的硅，并将其制成单晶硅锭。
然后，通过切割等工艺将硅锭加工成薄而圆的晶圆。
2、光刻这是半导体制造中非常关键的一步。
通过在晶圆表面涂上光刻胶，然后用紫外线透过掩膜版对光刻胶进行曝光，未曝光的光刻胶会被去除，从而在晶圆表面形成所需的图案。
3、蚀刻利用化学或物理方法，将未被光刻胶保护的部分去除，从而在晶圆上形成电路的微观结构。
4、掺杂通过离子注入等方法，向晶圆中掺入杂质，形成不同类型的半导体区域。
5、封装将制造好的芯片进行封装，以保护芯片并提供与外部电路的连接接口。
四、半导体在集成电路中的应用集成电路是半导体技术的重要应用领域。
半导体中的基本性质-PPT
Potential Energy, E(r)
Attraction
FA = Attractive force FN = Net force
ER = Repulsive PE E = Net PE
0
ro
0
Interatomic separation, r
Eo
ro
r
Attraction
Repulsion
FR = Repulsive force
进一步的研究显示，可以根据导电能 力的温度依赖特征更好地区分金属、
半导体、超导体
不同的电阻温 度特性，说明 不同材料之间 具有不同的导 电机制
半导体与金属
的电阻率独特
的温度特性，
Si
常被用来鉴别
半导体材料与
金属。
•真正了解半导体的性质和特征，需要从能带论出发
北北京京大大学学 微微电电子子学学研研究究所所
北北京京大大学学 微微电电子子学学研研究究所所
2.1.4 晶体的晶面（实例）
z x
(010) (010)
z
(010) (010)
(010)
y
x
(001)
y
(110)
(100)
z
z
(110)
(111)
–y
y
x
x –z
(b) Various planes in the cubic lattice
(111)
化合物半导体的闪锌矿晶体结构
S a
Zn a
a
北北京京大大学学 微微电电子子学学研研究究所所
第二章 半导体中的基本性质
半导体材料的结构和性质之间存在相似性（四面体结构），这 种相似性与什么有关？答案是：与原子之间的相互作用有关。
半导体材料的基本特性 ppt课件
PPT课件
22
芯片可靠性
芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力，通过严格 的诸如无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯度 来控制玷污
PPT课件
23
降低芯片价格
由于特征尺寸的减小使得硅片上集成的晶体管增多降低了 成本。 半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济
PPT课件
24
微电子技术发展展望
PPT课件
19
提高芯片的性能
关键尺寸 芯片上的最小物理尺寸 芯片上器件尺寸的相应缩小是按比例进行的，仅减小一个 尺寸是不可接受的。
PPT课件
20
每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可 以在硅片上制造更多的元件 ，由于芯片数增加性能也得 到提高。
摩尔定律
PPT课件
21
功耗 真空管耗费很大功率，而半导体器件确实耗用很 小的功率，随着器件的微型化，功耗相应减小，尽管晶体 管数以惊人的速度增为什么有如此的发展速度
第一：集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业，原始材 料是地壳中的二氧化硅。
第二：集成电路的设计与制造技术中高新技术含量和技术赋 加值极高 ，产出效益好。
第三：集成电路的设计与制造业是充满技术驱动的效益驱动 的高活性产业
PPT课件
18
半导体的趋势
★ 提高芯片性能 ★ 提高芯片的可靠性 ★ 降低芯片的成本
★衬底必须是纯净的 ★单晶硅片 ★晶体的基本形态
单晶 多晶 非晶 ★综合指标要求 导电类型 N型或P型
PPT课件
30
集成电路的制造步骤
★硅片制造 ★硅片制备 ★硅片测试/拣选 ★装配与封装 ★终测
PPT课件
31
★硅片制备 在这一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特 殊工艺生产适当直径的硅锭，然后将硅锭切割。
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们生活的这个科技时代，半导体可谓是无处不在。
从我们每天使用的手机、电脑，到家里的电视、空调，再到汽车里的各种控制系统，都离不开半导体的身影。
那到底什么是半导体呢？简单来说，半导体就是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
半导体的导电性能不是一成不变的，它可以通过一些特殊的处理和控制来改变。
比如，在纯净的半导体中掺入少量的杂质，就能够显著改变其导电性能，这就是半导体的掺杂特性。
二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，这使得它在电子领域中具有极其重要的地位。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生明显的改变。
利用这一特性，我们可以制造出热敏电阻，用于温度测量和控制。
2、光敏特性当半导体受到光照时，其导电性能也会发生变化。
基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性如前面提到的，通过向半导体中掺入不同类型和浓度的杂质，可以精确地控制其导电性能，从而制造出各种不同功能的半导体器件。
三、半导体的制造工艺要将半导体材料变成实用的电子器件，需要经过一系列复杂而精细的制造工艺。
1、晶圆制备首先，需要制备出高纯度的半导体晶圆。
通常使用的是硅晶圆，通过化学气相沉积等方法，在高温下生长出单晶硅棒，然后经过切割、研磨和抛光等工艺，得到平整光滑的晶圆。
2、光刻这是半导体制造中最为关键的工艺之一。
通过在晶圆表面涂上一层光刻胶，然后用紫外线透过具有特定图案的掩膜版进行照射，使光刻胶发生化学反应，从而在晶圆上形成所需的电路图案。
3、蚀刻利用化学或物理方法，将未被光刻胶保护的部分去除，从而在晶圆上刻蚀出电路线条。
4、掺杂通过离子注入或扩散等方法，向晶圆中掺入杂质，以改变其导电性能。
5、封装将制造好的芯片进行封装，以保护芯片免受外界环境的影响，并提供与外部电路的连接接口。
四、半导体的应用半导体的应用领域非常广泛，几乎涵盖了现代科技的方方面面。
半导体器件的特性newPPT课件
– 静态工作点和动态分析 – 非线性失真分析
• 静态工作点的稳定
2020/10/13
4
• 微变等效电路分析法
– 晶体管的简化的h参数等效电路 – 用h参数等效电路分析放大器
• 共集电极放大器－射极输出器的分析 • 单管放大器的频率特性（概念）
– 频率特性、通频带、下限频率、上限频率
• 多级放大器
– 两种耦合方式
2020/10/13
5
• 差分放大器
– 差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑 Nhomakorabea比、• 功率放大器
– 特点、要求 – 互补对称功率放大器 – 乙类互补对称电路、交越失真、甲乙类互补对
称电路
2020/10/13
6
第三章 集成运算放大器
• 集成运放的基本单元电路
– 差分输入级 – 中间级 – 输出级 – 偏置电路
• 负反馈对放大器性能的改善 • 稳定放大倍数、扩展频带、减小非线性失真、削
弱噪声 • 负反馈对放大器输入电阻和输出电阻的影响 • 自激振荡（多级电路）
2020/10/13
8
谢谢您的指导
THANK YOU FOR YOUR GUIDANCE.
感谢阅读！为了方便学习和使用，本文档的内容可以在下载后随意修改，调整和打印。欢迎下载！
– 晶体管的结构、符号 – 晶体管内部载流子传输过程和共发射极直流传输方程 – 输入特性曲线、输出特性曲线（三种工作状态）
2020/10/13
3
第二章 放大器基础
• 放大器组成和工作原理
– 放大器组成和功能 – 基本共射放大电路
• 直流分析（直流通路）和交流分析（交流）通路
– 放大器性能（技术指标）
半导体的导电性质
氮化镓
高频电子器件中 的理想材料
柔性电子技术
01 弯曲不变形
适用于可穿戴设备
02 抗拉伸
在医疗传感器中应用广泛
03 通透性好
应用于柔性显示器
生物医学应用
生物传感器
应用于疾病诊断 监测生物数据 实现远程医疗
组织工程
促进组织生长 修复受损组织
医疗成像
提高医疗成像分辨率 减少辐射损伤
未来展望
随着半导体技术的不断发展，半导体在光电子器 件、新一代半导体材料、柔性电子技术和生物医 学应用等领域的应用将持续扩展，引领科技创新， 推动产业进步。
第5章 半导体的场效应器件
MOS场效应管的 原理
MOS场效应管利用 电场控制沟道导电的 原理。通过对栅极电 场的控制，可以改变 沟道的导电性质，实 现器件的电流控制， 是一种重要的半导体 器件之一。
MOS场效应管的结构
栅极
控制电场
衬底
支撑器件
绝缘层
隔离栅极
MOS场效应管的工作特性
低功耗
高频率
N型半导体的导电行为
自由电子传导
N型半导体的导电主要是 由自由电子传导实现，这 些自由电子在半导体中运 动自如，形成电流。
外加电场影响
外加电场可以进一步影响 N型半导体的导电行为， 调控自由电子的移动方向 和速度。
温度对导电性质的影 响
温度变化会影响N型半导 体内部自由电子的热运动， 从而影响半导体的导电特 性。
太阳能电池
光电二极管
利用PN结的光伏效应转换 太阳能为电能
可持续利用自然资源
光照射PN结时会产生电荷， 实现光电转换 常用于光电传感器和通信
设备中
PN结的特点
快速响应
第01章半导体基础知识-105页精品文档
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。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体， 也称为空穴半导体。
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。
U
死区电压，硅管 0.5V，锗管0.1V。
1、正向特性
只有当加在二极管两端的正向电压超过死区电压值 时，正向电流才明显增大。
2、反向特性
当二极管加上反向电压时，反向电流值很小，当反 向电压超过零点几伏后，反向电流达到饱和值IS 。
当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流急 剧增大，发生击穿现象。二极管击穿以后，不再具有单 向导电性。
1.2uiiR U zW 2R 5 10 ——方程1
令输入电压降到下限
i
时，流过稳压管的电
流为Izmin 。
ui
i IzminURZLW10mA
iL
R
DzW 1R 0 1—0—方程2
联立方程1、2，可解得：
ui1.7 8V 5 , R0.5k
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －