1.1 半导体基础知识 - 1
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1.1半导体基础知识
1.1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的伏安特性 五、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－ －－铁 铜等金属元素等低价元素， 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等， －－惰性气体 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强， 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－ －－硅 ）、锗 ），均为四价元素 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 ）、 ），均为四价元素， 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 是纯净的晶体结构的半导体。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？ 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
半导体的导电机理不同于其它物质， 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 的导电机理不同于其它物质 具有不同于其它物质的特点。例如： 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。 它的导电能力明显变化。
说明： 说明：
PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。 两部分。 一般来说，当二极管正向偏置时， 一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要 作用，即可以认为 Cj ≈ Cd； 作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj ≈ Cb。 Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法， 值都很小， 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。 有些结面积大的二极管可达几百皮法。
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的伏安特性 五、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－ －－铁 铜等金属元素等低价元素， 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等， －－惰性气体 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强， 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－ －－硅 ）、锗 ），均为四价元素 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 ）、 ），均为四价元素， 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 是纯净的晶体结构的半导体。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？ 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
半导体的导电机理不同于其它物质， 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 的导电机理不同于其它物质 具有不同于其它物质的特点。例如： 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。 它的导电能力明显变化。
说明： 说明：
PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。 两部分。 一般来说，当二极管正向偏置时， 一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要 作用，即可以认为 Cj ≈ Cd； 作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj ≈ Cb。 Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法， 值都很小， 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。 有些结面积大的二极管可达几百皮法。
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1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
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。
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
D
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
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
常用半导体器件
1.特点：非线性
I
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N 反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
正向特性
P+ – N
导通压降
硅0.6~0.8V 锗0.1~0.3V
U
硅管0.5V, 开启电压
锗管0.1V。
外加电压大于开启 电压二极管才能通。
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
P接正、N接负
动画
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
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。
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PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
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一、本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
1.1 半导体基础知识
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
半导体基础知识 二极管 晶体管 场效应晶体管 半导体器件技能训练
诚信
善思
崇德
励志
1.1 半导体基础知识
1.1 .1 半导体特点 1.1.2 PN结的单向导电性
诚信
善思
崇德
励志
1.1.1 半导体特点
一、物质根据其导电性能的不同可分为三大类 1、导体
容易导电、电阻率小于10-4Ω /cm的物质，例如金、银、 铜、铝、铁银等金属材料；
一、PN结的形成——多子扩散
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动
诚信
善思
崇德
励志
1.1.2 PN结的单向导电性
一、PN结的形成——少子漂移
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动，利于少子漂移 诚信 善思 PN结对外呈电中性
3、掺杂特性
半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化； 在材料硅中， 只要掺入亿分之一的硼， 电阻率就会 下降到原来的几万分之一
诚信 善思 崇德 励志
1.1.1 半导体特点
三、 本征半导体
纯净的、结构排列整齐的半导体晶体称为本征半导体。
硅和锗的原子结构 简化模型
硅和锗的晶体结构
诚信 善思 崇德 励志
崇德
励志
1.1.2 PN结的单向导电性
二、PN结的单向导电性
PN结外加正偏电压导通
PN结外加反偏电压截止
诚信
善思
崇德
励志
1.1.1 半导体特点
1、两种载流子——自由电子与空穴
硅和锗的晶体结构
热激发产生的自由电子和空穴
半导体基础知识 二极管 晶体管 场效应晶体管 半导体器件技能训练
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1.1 半导体基础知识
1.1 .1 半导体特点 1.1.2 PN结的单向导电性
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1.1.1 半导体特点
一、物质根据其导电性能的不同可分为三大类 1、导体
容易导电、电阻率小于10-4Ω /cm的物质，例如金、银、 铜、铝、铁银等金属材料；
一、PN结的形成——多子扩散
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动
诚信
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1.1.2 PN结的单向导电性
一、PN结的形成——少子漂移
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动，利于少子漂移 诚信 善思 PN结对外呈电中性
3、掺杂特性
半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化； 在材料硅中， 只要掺入亿分之一的硼， 电阻率就会 下降到原来的几万分之一
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1.1.1 半导体特点
三、 本征半导体
纯净的、结构排列整齐的半导体晶体称为本征半导体。
硅和锗的原子结构 简化模型
硅和锗的晶体结构
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1.1.2 PN结的单向导电性
二、PN结的单向导电性
PN结外加正偏电压导通
PN结外加反偏电压截止
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1.1.1 半导体特点
1、两种载流子——自由电子与空穴
硅和锗的晶体结构
热激发产生的自由电子和空穴
01.半导体物理基础知识
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子 的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有 电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称 晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的 晶胞。
1.9平衡载流子和非平衡载流子
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状 态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流 注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就 多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态 变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡 状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流 子。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子 规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非 晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐 软化。 1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排 列在一起的固体称为多晶。
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 大致范围
物体 电阻率 Ω·CM
导体 <10e-4
半导体 10e3~10e9
绝缘体 >10e9
表1-1
1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的特性自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
[下一页]半导体的特性硅原子的序数是14、原子核外有14个电子，最外层有4个电子，称为价电子，带4个单位负电荷。
通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。
惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。
[下一页]1.1.2 本征半导体在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。
每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。
一般来说，共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，这种物理现象称作为本征激发，价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。
如图所示。
当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。
价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。
为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。
在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。
当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。
在一定温度条件下，产生的“电子空穴对”和复合的“电子空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。
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
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构：最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。
绝缘体导电性：极差。
如惰性气体和橡胶。
半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。
半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间。
半导体的特点：★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。
晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。
共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。
空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。
空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。
自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。
复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体基础知识
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
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流…… 4）按频率分：高频和低频
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2）内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反－ － － － － － 运动最终达到 衡，相当于两－ － － － － － 区之间没有电－ － － － － － 运动，空间电 区的厚度固定－ － － － － － 变。
在常温下，由于热激发，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。
电子电路辅导课件1-1(半导体基础部分)
电极（c）和发射极(e)电位都低于基极（b）
的电位。
++ __
c
+
IC
c
_ b
IB
IC
b
IB
e _
IE
NPN
e
IE
+
PNP
(1-33)
三极管工作于放大区时各极电位和电流情况
（3）主要参数
_ 1.电流放大系数β和
前面的电路中，三极管的发射极是输 入输出的公共点，称为共射接法，相应地 还有共基、共集接法。 共射直流电流放大系数：
当UCE大于一 定的数值时IC 100A 只与IB有关， IC=IB。 80A 60A
40A 20A IB=0 12 UCE(V)
(1-28)
3
6
9
4
3
2
IC(mA ) 此区域中UCEUBE,发射 100A 结、集电结均正偏， IB>IC，UCE0.3V称为饱 80A 和区。 60A
DA VA VB DB
+5V
R
VF
电路中，利用二极管正向导通压降很小的特 点，使输出端F的电位维持在一个不变的数值上， 这就是二极管的箝位作用。在第2）题中，DB就 起着箝位作用，而DA则起着隔离作用。
(1-19)
例
二极管限幅电路 右示电路中, D + ui=5sinωt V, R D为理想二 + ui 极管,E=2V; E _ 试画出uo波形。 _ 解 当ui﹥E时，D导通，uo=ui； 当ui﹤E时，D截止，uo=E。 因此可画得uo波形如右。 本例中，利用二极管的单向导 电特性，使uo≥E，这就是二 极管的限幅作用。
二极管箝位电路（二极管与门）
第1章半导体器件
击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适 当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过 热而烧坏。如稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻 R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmin的范围内。
在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围 内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就 是利用这一点达到“稳压”效果的。
2 何谓杂质半 导体？N型半导 体中的多子是 什么？少子是 什么？
3 P型半导体中的空 穴多于自由电子，是 否意味着带正电？N 型半导体是否带负 电？
10
1.1 半导体基础知识
g. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。
空间电荷区
P区
在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷
内电场 外电场
V
IS
13
1.1 半导体基础知识
i. PN结的电流方程
一般地：
qu
i I s (e kT 1)
可以简化为，
u
i
I
I
s
(eUT
1)
当T=300K时，
u
i I s (e 0.026 1)
14
1.1 半导体基础知识
j. PN结的伏安特性曲线
当u>> UT时，
u
i IseUT
反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。
外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二 极管失去单向导电性，进入反向击穿区。
23
1.2 半导体二极管
正向导通区的讨论
I (mA) 60
当外加正向电压大于死区电压时，二 极管由不导通变为导通，电压再继续增
在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围 内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就 是利用这一点达到“稳压”效果的。
2 何谓杂质半 导体？N型半导 体中的多子是 什么？少子是 什么？
3 P型半导体中的空 穴多于自由电子，是 否意味着带正电？N 型半导体是否带负 电？
10
1.1 半导体基础知识
g. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。
空间电荷区
P区
在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷
内电场 外电场
V
IS
13
1.1 半导体基础知识
i. PN结的电流方程
一般地：
qu
i I s (e kT 1)
可以简化为，
u
i
I
I
s
(eUT
1)
当T=300K时，
u
i I s (e 0.026 1)
14
1.1 半导体基础知识
j. PN结的伏安特性曲线
当u>> UT时，
u
i IseUT
反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。
外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二 极管失去单向导电性，进入反向击穿区。
23
1.2 半导体二极管
正向导通区的讨论
I (mA) 60
当外加正向电压大于死区电压时，二 极管由不导通变为导通，电压再继续增
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)。
1.1 半导体基本知识
本征半导体（载流子）
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定； 温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由 电子与空穴对的浓度加大。
本征半导体（载流子）
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自 由电子和带正电的空穴均参与导 电，且运动方向相反。 电流=电子电流+空穴电流 由于载流子数目很少，故导 电性很差。 两种载流子
本征半导体（载流子浓度）
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子与空穴对 的现象。 复合： 自由电子与空穴相碰同时消失。 在一定的温度下，热激发产生的自由电子与空穴对， 与复合的自由电子与空穴对数目相等，故达到动态平 衡 由于载流子数目很少，故本征半导体导电性很差，且 与环境温度密切相关。
PN 结的电容效应
• 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电 相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 扩散电容 PN结外加正向电压变化，扩散区的非平衡少子的数 量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放过程，呈现 出电容充放电的性质，其等效的电容称之为扩散电容Cd。 结电容： C j Cb Cd
PN结加上正向电压、正向偏置的意 思都是： P区加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压、反向偏置的意 思都是： P区加负、N区加正电压。
（1）正向电压
必要吗？
外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流 PN结导通
正向电压_动画演示
电子与通信工程系
半导体基础知识答辩ppt课件
１.2.2 V—A特性曲线
实验曲线
i
锗
击穿电压UBR
(1) 正向特性 i
u
V
mA
(2) 反向特性
i u
V
uA
0
u
反向饱和电流
导通压降 硅：0.7 V
死区
电压
E
锗：0.3V
硅：0.5 V 锗： 0.1 V
E
(1)正向特性：
对应于图1-12曲线的第①段，为二极管伏特性的正向特 性部分。这时加在二极管两端的电压不大，从数值上看，只 有零点几伏，但此时流过二极管的电流却较大，即此时二极 管呈现的正向电阻较小。一般硅管正向导通压降约为0.6～ 0.7V, 锗管约为0.2～0.3V。
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——本征激发产生，与温度有关 多子浓度——掺杂产生与，温度无关
1.2.1 PN结
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
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
正向电流
－ － －－
++ ++
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。
动画演示
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
P
空间电 荷区
N
－ － －－
++ ++
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InP
II-VI族化合物——ZnS，CdS，CdTe ZnS
CdS
CdTe
IV-IV族化合物——SiC
Ø 固溶半导体（又称混合晶体） 四族元素Ge,Si之间和许多化合物之间都能形成连续固溶体
（混合晶体）。它既不是化合物，也不是机械的混合物。 II-VI族的三元固溶体：HgxCd1-xTe（红外探测器）
3. 半导体的晶体结构和价键形式
Ø金刚石结构 （元素半导体Si、Ge）
以碳原子构成的金刚石为例： l 每个碳原子与周围4个碳原子形成共价四面体； l 由两个面心立方来自格沿空间对角线位移1/4长度套
构而成的（由相同原子构成的复式晶格）。
Ø闪锌矿结构
III-V族化合物GaAs II-VI族化合物ZnS 等
III-V族的三元固溶体：GaAs1-xPx (发光二极管)
Ø 非晶态半导体 也就是无定形半导体。 用于高温，抗辐射等场合，如非晶硅——太阳能电池
Ø有机半导体 具有半导体性质的有机材料。
有机发光二极管（OLED）
便携式太阳能电池
Ø 本课程的研究对象 晶态的半导体
元素半导体 （硅、锗）
化合物半导体 （砷化镓）
第一讲 半导体中的电子状态
1.1 半导体基础知识
1.什么是半导体
Ø 按电阻率区分：
ρ<10-4Ω.cm——导体（室温下：10-6Ω.cm ） ρ>109Ω.cm——绝缘体（典型值：1012Ω.cm） 10-4～109Ω.cm——半导体
ρGe<50Ω.cm, ρSi<2.3×105Ω.cm ρGaAs<7.0×107Ω.cm
与金刚石结构类似，不同的是： 晶格是由两种不同的原子组成的面心立方晶格套构而 成的。
Ø纤锌矿结构 II-VI族化合物半导体
Ø氯化钠结构 IV-VI族化合物半导体
Ø 按能带结构区分：
2. 半导体材料的种类
Ø元素半导体
元素半导体
周期 III A IV A V A
B
C
Si
P
Ge
As
Sn
Sb
VI A VII A
S
Se
Te
I
Si 是半导体中的主导材料，主要用于制作各种 半导体器件、集成电路等。
Ø化合物半导体 III-V族化合物半导体——GaAs、InP GaAs