第1章 半导体器件01汇总
第1章半导体器件
电子线路基础
金属触丝
＋ 弹性金属丝
P型合金结 铝合金球 二氧化硅 P型扩散层
保护层 ＋
N型锗 P型层
N型硅
＋
锡 － 支架
支架 －
N型硅 －
－
(a)
(b)
(c)
(d)
图1―8 二极管结构与符号
电子线路基础
(1)点接触型二极管如图1―8(a)所示。 (2)面结合型二极管如图1―8(b)所示。 (3)平面型二极管如图1―8(c)所示。 二极管的符号如图1―8(d)所示。
＋4
(b) (a)
图1―2 (a)晶体结构; (b)共价键结构
1.1.2 杂质半导体 1. N型半导体 2. P型半导体
电子线路基础
＋4
＋4
多 余
电
子 磷
原 ＋5
＋4
子
图1―3 N型半导体的共价键结构
电子线路基础
＋4
＋4
空穴
硼
原 ＋3
＋4
子
图1―4 P型半导体的共价键结构
电子线路基础
1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流 1. 扩散运动和扩散电流 2. 漂移运动和漂移电流
1)图解法
电子线路基础
二极管的特性曲线如图 1―12（b）所示，将图 1―12（a）左边的线性电路写成方程为
uEiR
2）迭代法
(1―11)
由式（1―5）的二极管特性方程和式(1―11)联立的 方程组可以求出非线性电路的解。但无法直接计算，一 般采用迭代法求解。
将式(1―11)和式(1―5)改写为
CT
(U
K U )
(1―1)
电子线路基础
(2)扩散电容。PN结正向运用时,除了存在势垒电容
第一章--半导体器件讲解
输
RB 入
UEE
电 路
输 出
IE 电
路
共射极放大电路
2、三极管内部载流子的传输过程
a）发射区向基区注入电子，
形成发射极电流 iE
b）电子在基区中的扩散与复 IB
合，形成基极电流 iB c）集电区收集扩散过来的电
RB
子，形成集电极电流 iC
UBB
IC N RC
P UCC N
IE
另外，集电结的反偏也形成集电区中的少子空穴 和基区中的少子电子的漂移运动，产生反向饱和电流 ICBO。
1.3 半导体三极管
一、三极管的结构及类型
半导体三极管是由两个背靠背的PN结 构成的。在工作过程中，两种载流子（电 子和空穴）都参与导电，故又称为双极型 晶体管，简称晶体管或三极管。
两个PN结，把半导体分成三个区域。 这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以 是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN 型和PNP型。
第一章 半导体器件
1.1 半导体基础知识 1.2 PN结（半导体二极管） 1.3 半导体三极管
1.1 半导体基础知识
半导体器件是用半导体材料制成的电 子器件。常用的半导体器件有二极管、三 极管、场效应晶体管等。半导体器件是构 成各种电子电路最基本的元件。
一、半导体的导电特征
导体：金、银、铜铁、铝等容易传导电流的物质 绝缘体: 橡胶、木头、石英、陶瓷等几乎不传导电流的物质 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质， 如硅、锗、硒、砷化钾等。
稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳 压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用 在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。
i/mA
8
4
第1章 常用半导体器件(1)
(a)
空间电荷区
N区
移到P型区的空穴填补了原来交界
面上P型区所失去的空穴， 从P型区
漂移到N型区的自由电子填补了原 来交界面上N型区所失去的自由电 子，漂移运动的结果是使空间电荷
内电场 Uho
区变窄。空间电荷区称为阻挡层。
第第1章1章常晶用体半二导极体管器与件三极管
1． PN结的形成
当多子的扩散运动和少子 的漂移运动达到动态平衡时，空 间电荷区的宽度一定，PN结电 流为零。在动态平衡时，由内电 场产生的电位差称为内建电位差 Uho, 如图（b）所示。处于室温 时 ， 锗 的 Uho≈0.2~0.3 V ， 硅 的 Uho≈0.5~0.7 V。
多子扩散运动使空间电荷区加宽。
第第1章1章常晶用体半二导极体管器与件三极管
1． PN结的形成
空穴 负离子 正离子 自由电子
内电场：在空间电荷区里，由带正 P区
N区
电的N型区指向带负电的P型区的电 场。 内电场阻止多子的扩散运动、
内电场推动少数载流子产生漂移运 动（载流子从浓度低的区域向浓度 高的区域的运动。） 。从N型区漂 P 区
第第1章1章常晶用体半二导极体管器与件三极管
2. P型半导体
因三价杂质原子 在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下 一个空穴。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 三价杂质 因而也称为受主原子。
在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂 形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。
第第1章1章常晶用体半二导极体管器与件三极管
第1章 常用半导体器件
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 半导体场效应管
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。
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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1章 半导体器件
半导体器件是用半导体材料制成的电子器 件。半导体器件是构成各种电子电路最基 本的元件。
1.1.1 半导体的导电特征
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的 物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素。
1．热激发产生自由电子和空穴 每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间 通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共 用一对电子。 室温下，少数价电子挣脱共价键的束缚成 为自由电子，在共价键中留下一个空位这个空 位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子， 就好象空穴带正电荷一样。
两个PN结把半导体分成三个区域。这三个区 域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此， 三极管有两种类型：NPN型和PNP型。
C 集电结 N P N E 集电区 基区 B 发射区 E C
NPN型
B 发射结
C 集电结 P N P E 集电区 基区 B 发射区 E C
PNP型
B 发射结
正箭 向头 电方 压向 时表 的示 电发 流射 方结 向加
1.4.2
电流放大作用
（1）产生放大作用的条件 内部：a）发射区杂质浓度>>基区>>集电区 b）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏 （2）内部载流子的传输过程 a）发射区向基区注入多子，形成发射极电流 iE b）多子在基区中扩散与复合，形成基极电流 iB c）集电区收集扩散过来的多子，形成集电极电 流 iC
1.3 特殊二极管
1.3.1 稳压管
阳极 阴极
稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二 极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。 稳压管的稳压作用：电流增量很大，电压变 化很小。
稳压管的主要参数： （1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压 （ 2）稳定电流 IZ。工作电压等于稳定电压时的 电流。
第01章半导体器件的基础知识(精)
第01章半导体器件的基础知识1.1 半导体物理学概述1.1.1 半导体的定义半导体是指在温度为室温时，其导电性介于金属和非金属之间的材料。
室温下，半导体的导电性比金属低很多，但比非金属高很多。
1.1.2 能带模型能带模型是用来解释半导体电学性质的重要物理模型之一。
在能带模型中，半导体的能量带分为导带和价带。
导带的电子能量高，而价带的电子能量低，两个带之间有一条禁带（也称带隙），禁带内无可利用的电子。
1.1.3 杂质的作用在半导体中加入适量的杂质后，可以改变半导体的电学性质，如电导率、电子迁移率和载流子浓度等。
常用的杂质有掺杂剂和杂质氧化物等。
1.2 半导体器件的分类根据半导体器件的功能、工作原理和结构等不同属性，可以将其分为多种类型，其中常用的半导体器件有二极管、晶体管、场效应管、集成电路、发光二极管等。
1.2.1 二极管二极管是一种最简单的半导体器件，主要由P型半导体和N型半导体组成。
二极管的主要特点是只允许电流单向通过，具有整流、波形削减和电压稳定等特性，广泛应用于扫描电视机、颜色电视机、发光二极管等电子产品中。
1.2.2 晶体管晶体管是一种三层结构的半导体器件，由三种掺杂纯度不同的半导体材料组成：P型、N型和净掺杂型半导体。
晶体管主要有三种工作方式：放大、开关和振荡。
1.2.3 场效应管场效应管也称为MOS晶体管，是一种用于放大和开关的半导体器件。
场效应管是一种具有电容储能功能的半导体器件，由源、栅、漏三个电极组成，它的主要特点是具有高输入阻抗和良好的线性增益。
1.2.4 集成电路集成电路是一种将多个电子元件整合在单片半导体上的器件，其中包含大量的晶体管、二极管、电阻和电容等。
集成电路广泛应用于计算机、通信、汽车和家电等领域，对提高电路的性能、简化电路结构和减小体积有重要作用。
1.2.5 发光二极管发光二极管是一种具有半导体特性的器件，它能够在一定的外加电压下，将电能转换为光能，并向外辐射光线。
第01章半导体器件失效分析概论
第一章半导体器件失效分析概论1*失效分析的产生与发展随着微电子学的飞速发展，半导体器件已广泛应用于宇航/军事/工业和民用产品中。
所以对半导体器件的可靠性研究也更加重要。
半导体器件的可靠性的研究主要包括两方面：一是评价可靠性水平（如可靠性数学/可靠性试验/可靠性评估等）；二是如何提高可靠性（如失效分析/失效物理/工艺监控/可靠性设计等）。
虽然器件可靠性研究首先是从评价可靠性水平开始的，但研究重点逐渐在转向如何提高可靠性方面。
因为可靠性研究不仅是为了评价器件可靠性，更重要的是为了提高可靠性，所以失效分析的失效物理研究越来越受到广大可靠性工作者的重视。
失效分析和失效物理研究的迅速发展并不单是为了学术研究的需要，更重要的是为了满足可靠性工程迅速发展的需要。
特别是60年代以后，随着可靠性研究的发展和高可靠半导体器件及大规模集成电路的出现，可靠性研究遇到了难以克服的困难（例如失效率10-7意味着10000个器件作1000小时试验之后才能得出这一结果）。
第二，半导体器件和集成电路的品种及工艺更新速度很快，使得过去取得的可靠性数据常常变得不适用。
第三。
当代电子设备和系统的日益复杂化/综合化，并对器件提出了高可靠的要求。
为了解决以上的问题，迫切需要一种既省时间，又省费用的可靠性研究方法。
失效分析和失效物理研究就是为了达到这一目的而迅速发展起来的，发展的情况如表1-1所示。
路两项发明，开辟了利用集成电路的新时期，使集成电路的可靠性得到了很大提高，并成功地用于“民兵”洲际弹道导弹，成为美国宇航局在阿波罗计划中广泛使用集成电路的典范。
集成电路用于“民兵”导弹在可靠性方面的意义可定量说明如下：在1958年，要求微型电路的平均失效率为7*10-9。
然而，那时侯晶体管的失效率大约是1*10-5。
“民兵”计划的改进措施（主要是以失效分析为中心的元器件质量保证计划）致使集成电路的失效率降低到3*10-9。
其中失效分析对半导体器件可靠性的提高发挥了很大的推动作用。
01第1章01_101缓变pn结与突变pn结
半导体器件物理(1)第1章pn结大多数半导体器件（包括集成电路）, 都包含一个或者多个pn结（pn Junction）。
这些器件的特性均与pn结密切相关，因此深入理解并熟练掌握pn结原理是学习其他半导体器件理论的关键。
半导体器件物理(I)p 区与n 区的交界面称为冶金结。
1. pn 结的结构组成半导体材料一个区域为p 型，相邻区域为n 型，则组成pn 结。
1-1 平衡pn 结定性分析一、pn 结的形成和杂质分布（Doping Profile ）半导体器件物理(I)第1章pn结为便于分析，采用剖面图并且旋转90度，采用一维方式显示杂质分布。
1-1 平衡pn 结定性分析一、pn 结的形成和杂质分布（Doping Profile ）2. 平面工艺与缓变结半导体器件物理(I)第1章pn结平面工艺中的“选择性掺杂”：2. 平面工艺与缓变结1-1 平衡pn 结定性分析一、pn 结的形成和杂质分布（Doping Profile ）只要p 区与/或n 区为非均匀掺杂，则称为缓变结（Graded Junction ）。
X j 为冶金结面与半导体表面之间的距离，称为结深（Junction Depth）。
半导体器件物理(I)第1章pn结3. 合金工艺与突变结早期pn 结采用“合金”工艺制备，其特点是掺杂为均匀分布。
若p 区与n 区均为均匀掺杂，则称为突变结（Step Junction ）。
1-1 平衡pn 结定性分析一、pn 结的形成和杂质分布（Doping Profile ）半导体器件物理(I)第1章pn结3. 合金工艺与突变结为了突出物理过程，本章以突变结为对象介绍pn 结基本工作原理。
1-1 平衡pn 结定性分析一、pn 结的形成和杂质分布（Doping Profile ）半导体器件物理(I)第1章pn结第1章pn结1-1 平衡pn结定性分析一、pn结的形成和杂质分布（Doping Profile）上面简要介绍了pn的构成和杂质分布。
【半导体物理与器件】【尼曼】【课后小结与重要术语解释】汇总_01
【半导体物理与器件】【尼曼】【课后小结与重要术语解释】汇总第一章、固体晶体结构 1. 小结 1. 硅是最普遍的半导体材料 2. 半导体和其他材料的属性很大程度上由其单晶的晶格结构决定。
晶胞是晶体中的一小块体积，用它可以重构出整个晶体。
三种基本的晶胞是简立方、体心立方和面心立方。
3. 硅具有金刚石晶体结构。
原子都被由 4 个紧邻原子构成的四面体包在中间。
二元半导体具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格基本相同。
4. 引用米勒系数来描述晶面。
这些晶面可以用于描述半导体材料的表面。
密勒系数也可以用来描述晶向。
5. 半导体材料中存在缺陷，如空位、替位杂质和填隙杂质。
少量可控的替位杂质有益于改变半导体的特性。
6. 给出了一些半导体生长技术的简单描述。
体生长生成了基础半导体材料，即衬底。
外延生长可以用来控制半导体的表面特性。
大多数半导体器件是在外延层上制作的。
2. 重要术语解释 1. 二元半导体：两元素化合物半导体，如 GaAs。
1/ 42. 共价键：共享价电子的原子间键合。
3. 金刚石晶格：硅的原子晶体结构，亦即每个原子有四个紧邻原子，形成一个四面体组态。
4. 掺杂：为了有效地改变电学特性，往半导体中加入特定类型的原子的工艺。
5. 元素半导体：单一元素构成的半导体，比如硅、锗。
6. 外延层：在衬底表面形成的一薄层单晶材料。
7. 离子注入：一种半导体掺杂工艺。
8. 晶格：晶体中原子的周期性排列 9. 密勒系数：用以描述晶面的一组整数。
10. 原胞：可复制以得到整个晶格的最小单元。
11. 衬底：用于更多半导体工艺比如外延或扩散的基础材料，半导体硅片或其他原材料。
12. 三元半导体：三元素化合物半导体，如 AlGaAs。
13. 晶胞：可以重构出整个晶体的一小部分晶体。
14. 铅锌矿晶格：与金刚石晶格相同的一种晶格，但它有两种类型的原子而非一种。
第二章、量子力学初步 3. 小结 1. 我们讨论了一些量子力学的概念，这些概念可以用于描述不同势场中的电子状态。
半导体器件物理 第一章总结(01)
dp J p q(μ p pE x D p ) dx
式中，Ex代表在x处的电场， dn/dx和dp/dx为引起扩散流的 载流子梯度。
19
dn J n q(μ n nE x Dn ) dx
p-n结能带图
• 平衡p-n结的情况,可以用能带图表示.下图表示n型、p型两 块半导体的能带。
当两块半导体结合形成 p-n结时,按照费米能级 的意义，电子将从费米 能级高的n区流向费米 能级低的p区，空穴则 从p 区流向n区，因而 EFn不断下移，而EFp不 断上移，直至EFn=EFp时 为止。 20
7
• 离子注入原理，扩散是一种与温度有关的物理现象，而离 子注入则依赖于离子运动的能量大小。具有一定动能的离 子射进硅片内部后，由于硅片内部原子核和电子的不规则 作用，而使得注入的离子能量逐渐受到消耗，离子注入速 度减慢，在硅片内部移动到一定的距离之后，就停止在硅 片内某一位置上。
8
离子注入法和扩散法的比较
4
2. 扩散法
扩散技术是在高温条件下，将杂质原子以一定的可控量掺 入到半导体中，以改变半导体基本（或以扩散过的区域） 的导电类型或表面杂质浓度。 扩散：一般有硼（B），磷（P），砷（As）等。 有两种表面源的扩散分布，一是恒定源扩散：硅片的表面与 浓度始终不变的杂质（气体或固体）相接触。即在整个扩 散过程中，硅片表面浓度保持恒定。 另一是有限源扩散：硅片内的杂质总量保持不变。它没有外 来杂质的补充，只依靠预淀积在硅片表面上的那一层数量 有限的杂质原子，向硅片体内继续进行扩散。
3
当温度继续上升到500－550 °C时，有一部分与铟相接触的 固体锗片渐渐地溶入到熔体的铟小球中，成为铟锗合金融体。 这个过程称为熔解。然后将温度降低，使铟球与锗片冷却。 这时，溶解在铟球里面的锗原子，就会沿着N型锗片的边缘 重新再结晶出来，再结晶层中就掺有大量受主杂质－铟。由 于受主杂质（铟）浓度大大超过了原先锗片（N型）中施主 杂质浓度，再结晶层就变成了P型。这一过程称为再结晶。 再结晶层下面的锗片仍然是N型。这样，利用铟锗熔合的方 法，就可以巧妙地在一块完整的锗半导体内部，实现N型和P 型部分的接触，即形成了PN结。这种方法就是典型的合金烧 结工艺。
第1章 半导体器件
第1章 半导体器件
§1.2
半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
第1章 半导体器件
一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
第1章 半导体器件
第1章 半导体器件
3、本征半导体中的两种载流子
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。由 于载流子数目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度 增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。
两种载流子
本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。半导体材料性能对 温度的这种敏感性，既可用来制作热敏器件，又是造成半导体器件温度稳定 性差的原因。
ui=0时直流电源作用
uD U T 根据电流方程， rd iD ID
小信号作用 Q越高，rd越小。
静态电流
第1章 半导体器件
四、二极管的主要参数 • • • • 最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导 电性！
第1章 半导体器件
问题
• 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制 成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂， 改善导电性能？ • 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还 是少子是影响温度稳定性的主要因素？ • 为什么半导体器件有最高工作频率？
正向特性为指数 曲线
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半导体导电性能是由其原子结构决定的。
2020年10月4日星期日11时55分24
硅原子结构 最外层电子称价电子 锗原子也是 4 价元素
价电子 (a)硅的原子结构图
4 价元素的原子常常用 + 4 电荷的正离子和周围 4 个价电子表示。
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N
I 内电场方向
外电场方向
V
R
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在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的 正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。
2. PN 结外加反向电压(反偏) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内 电场的作用； 外电场使空间电荷区变宽； 不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ； 由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。
第一章 半导体器件(1)
1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管(BJT) 1.4 场效应三极管
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1.1 半导体的特性
1. 导体：电阻率 < 10-4 ·cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。 2. 绝缘体：电阻率 > 109 ·cm 物质。如橡胶、塑料等。 3. 半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用
空间电荷区正负离子之间电位差 UD —— 电位壁垒； —— 内电场；内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
4. 漂移运动 内电场有利 于少子运动—漂 移。 少子的运动 与多子运动方向 相反
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阻挡层
P
空间电荷区
N
内电场 UD
5. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流 等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与 漂移运动达到动态平衡。
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1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，
称为 电子 - 空穴对。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。
4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又
不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到
平衡，载流子的浓度就一定了。
5. 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。
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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
一、 N 型半导体
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。
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本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些 硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价 电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受 自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。
自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 。电 子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子 (简称少子)。
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+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
+4
图 N 型半导体的晶体结构
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二、 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。
+4
+4
+4
3 价杂质原子称为
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若 T ，将有少数价 电子克服共价键的束缚成 为自由电子，在原来的共 价 键 中 留 下 一 个 空 位 —— 空穴。
自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力， 但很微弱。
空穴可看成带正电的 载流子。
T
+4
+4
空穴
+4
+4
+4
自由电子 +4
+4
+4
+4
图 本征半导体中的 自由电子和空穴
P
PN结
N
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图 PN 结的形成
一、 PN 结中载流子的运动
1. 扩散运动
P
N
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 形成空间电荷区
耗尽层
P
空间电荷区
N
—— PN 结，耗 尽层。
图 1.2.1
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3. 空间电荷区产生内电场
空穴
受主原子。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+4
+43 受主 +4
空穴浓度多于电子
原子
浓度，即 p >> n。空穴
为多数载流子，电子为
+4
+4
+4
少数载流子。
图 P 型半导体的晶体结构
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说明：
1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。
2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。
+4
(b)简化模型
图 硅原子结构
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导
体称为本征半导体。
将硅或锗材
+4
+4
+4
价
料提纯便形成单 晶体，它的原子
共
价 键
+4
+4
电 子
+4
结构为共价键结
构。 当温度 T = 0 K 时，半 +4
导体不导电，如同绝缘体。
图
+4
+4
单晶体中的共价键结构
3. 杂质半导体总体上保持电中性。
4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
图 杂质半导体的的简化表示法
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1.2 半导体二极管
1.2.1 PN 结及其单向导电性
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另 一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了 一个特殊的薄层，称为 PN 结。
空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米； 电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V,
锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V。
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二、 PN 结的单向导电性
1. PN 外加正向电压
又称正向偏置，简称正偏。
P
空间电荷区
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 较大的正向电流。