1.1 半导体基本知识一、本征半导体及导电特性
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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
半导体基础知识
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
结电容： C j Cb Cd
清华大学 华成英 hchya@
§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
导通电压
0.6~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
开启电压
0.5V 0.1V
反向饱和电流
1µA以下 几十µA
从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性 u i IS (eU T 1) 正向特性为
指数曲线
若正向电压 UT，则i ISe u
u UT
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
二、杂质半导体
1. N型半导体
多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。
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
二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u )
i IS (e
u UT
1)
(常温下 UT 26m ) V
材料
硅Si 锗Ge
结电容： C j Cb Cd
清华大学 华成英 hchya@
§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
导通电压
0.6~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
开启电压
0.5V 0.1V
反向饱和电流
1µA以下 几十µA
从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性 u i IS (eU T 1) 正向特性为
指数曲线
若正向电压 UT，则i ISe u
u UT
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
二、杂质半导体
1. N型半导体
多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。
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
二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u )
i IS (e
u UT
1)
(常温下 UT 26m ) V
材料
硅Si 锗Ge
半导体基础知识
2．PN结的特性
（1）PN结的单向导电性 外加正向电压（或正向偏置电压，简称正偏）
扩散运动加剧,漂移运动减弱,多子扩散形成电流，处于正向 导通状态。
外加反向电压（或反向偏置电压，简称反偏 )
空间电荷区变宽，多子扩散电流为零，PN结呈现很高的电阻， 处于反向截止状态。 少子的漂移运动增强 ，形成电流。
本征半导体结构示意图
（2） 本征半导体的特性
载流子－－可移动的电荷。 空穴－共价键吸附引起的载流子。 在一定温度下，本征半导体 中载流子的产生和复合两种 运动将达到动态平衡。
ni pi
硅和锗的本征载流子浓度与温度的关系为：
3 Eg
n T p T AT e2 2KT
• 显然，本征载i 流子的浓度i 对温度十分敏感，随温度的上升而迅速增 大，这正是半导体的重要特性—热（或光）敏性。
• 光敏性：在光照条件下，其导电性能将显著增加。利用光敏性 可制成光敏元件。
• 热敏性：在热辐射条件下，其导电性能也将显著增加。利用热 敏性可制成热敏元件。
• 掺杂性：掺入特定的杂质元素时，其导电性能显著增加，并具 有可控性。
1. 本征半导体及其特性
（1）本征半导体
本征半导体－－纯净的具有晶体结构的半导体。
P型半导体
空穴 多数载流子 自由电子 少数载流子
（3） 杂质半导体的特性
• 载流子的浓度 多子浓度取决于杂质的浓度
• 杂质半导体的电中性 在无外加电场条件下，杂质半导体是呈现电中性的。
• 转型
1.2 PN结的形成及其特性
1．PN结的形成
扩散运动－－由浓度高向浓度低运动 漂移运动－－电场驱动的载流子运动 扩散运动（多子）与漂移运动（少子）的平衡形成PN结
1半导体基础知识 共94页PPT资料
稳压值受温度变化影响的的系数。
（3）动态电阻
r UZ
Z
I Z
（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。
（5）最大允许功耗 PZMUZIZmax
稳压二极管的应用举例
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
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。
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。
面接触型
N
1.2.2 伏安特性
I
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
反向击穿 电压UBR
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
U
1.2.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。
2. 反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电 压UWRM一般是UBR的一半。
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。
（3）动态电阻
r UZ
Z
I Z
（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。
（5）最大允许功耗 PZMUZIZmax
稳压二极管的应用举例
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
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。
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。
面接触型
N
1.2.2 伏安特性
I
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
反向击穿 电压UBR
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
U
1.2.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。
2. 反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电 压UWRM一般是UBR的一半。
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。
半导体的基本知识
1-1半导体的基本知识课 题：半导体基本知识教学目的、要求：1、了解半导体的导电特性； 2、掌握PN 结及其单向导电性。
教学重点、难点：1、PN 结形成的过程；（难点） 2、PN 结的单向导电性。
（重点） 授 课 方 法：多媒体课件讲授，提纲及重点板书。
授 课 提 纲：教 学 内 容： 组织教学准备教学材料，清点学生人数。
（课前2分钟） 引入新课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。
从本节课开始，我们先从半导体的基本知识开始，介绍常用的半导体器件。
要求大家本征半导体的特点，掌握PN 结的形成及单向导电性。
（2分钟） 进入新课第一章 常用半导体器件§1-1 半导体的基本知识【板书】一、什么是半导体【板书】1、物质按导电能力的分类【标题板书+内容多媒体】（8分钟）自然界中的物质按其导电能力可以分为三大类：导体、绝缘体和半导体。
物质的导电特性取决于原子结构。
⑴导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
因此在外电场作用下，这些电子产生定向移动形成电流，呈现出较好的导电特性。
⑵绝缘体：高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶，塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。
⑶半导体：半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚,成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因此，半导体的导电特性介于二者之间。
半导体有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）及金属的氧化物和硫化物。
最常用的是硅和锗。
2、半导体的特点【标题板书+内容多媒体】（5分钟）半导体之所以被用来制造电子元器件，不是在于它的导电能力处于导体与绝缘体之间，而是由于它的导电能力在外界某种因素作用下发生显著的变化，这种特点表现如下：⑴半导体的电导率可以因为加入杂质而发生显著的变化。
第1章半导体元件及其特性
退出
注意： 注意： 半导体与导体不同， 半导体与导体不同，内部有两种载 流子参与导电——自由电子与空穴。在 流子参与导电 自由电子与空穴。 自由电子与空穴 外加电场的作用下， 外加电场的作用下，有： I=In（电子电流）+Ip（空穴电流） 电子电流） 空穴电流） 空穴导电的实质是价电子的定向移动！ 空穴导电的实质是价电子的定向移动！
这四个价电子不仅受自身原子核的束缚， 这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻 原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示： 原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示： 价电子（热激发） 价电子（热激发） 自由电子-空穴对 自由电子 空穴对 复合 平衡
（1）温度越高，自由电子 空穴 ）温度越高，自由电子-空穴 对数目越多； 对数目越多； 空穴数目相等， （2）自由电子 空穴数目相等， ）自由电子-空穴数目相等 对外不显电性。 对外不显电性。 硅（锗）原子在晶体中的共价键排列
退出
1.1.1 半导体的特点
1.半导体的特点 半导体的特点 半导体是制造电子器件的主要原料， 半导体是制造电子器件的主要原料，它的广泛应用不是 因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间， 因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是它的电阻率 可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。 可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。
第 1 章
半导体元件及其特性
半导体基础知识与PN结 半导体基础知识与 结 二极管 晶体管 场效应管 本章小结
退出
1.1
半导体基础知识 PN结 与PN结
主要要求： 主要要求：
了解半导体材料的基本知识 了解半导体材料的基本知识 半导体 理解关于半导体的基本概念 理解关于半导体的基本概念 半导体 理解PN结的形成 理解PN结的形成 PN 掌握PN结的单向导电作用 掌握PN结的单向导电作用 PN
半导体的基本知识
杂质半导体：在本征半导体中掺入微量有用元素后形成的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同可分为：P型半导体和N型半导体两种。
3、N型和P型半导体
（1）N型半导体：电子型
在本征半导体中掺入五价杂质原子，例如掺入磷原子，可形成N型半导体。
多数载流子自由电子,少数载流子空穴。
（2）P型半导体：空穴型
在本征半导体中掺入三价杂质原子，如硼等形成了P型半导体。
相对导体及绝缘体，半导体元件的导电原理学生是难以理解的，故半导体元件的导电原理是本章难点。
教材处理思路
这两节课是电子技术基础科目里的的重要章节，半导体的导电原理及PN结的单向导电性是电子技术的基本内容，只有理解相关原理，才能掌握电子电路正确的分析设计方法。
技校学生，他们普遍对学习欠缺主动性，所以教师必须用各种方法激发其兴趣，吸引其注意力。而这两节课采用多种教学方法，让学生成为课堂的主角，通过对教学内容的分解，同时培养学生的竞争意识，预计能收到良好的教学效果。
多数载流子自由电子,少数载流子空穴。
由上述分析我们得出：杂质半导体内部有两种载流子(自由电子、空穴)参与导电。当杂质半导体加上电场时，两种载流子产生定向运动共同形成半导体中的电流。主要靠自由电子导电的杂质半导体是N型半导体，主要靠空穴导电的杂质半导体是P型半导体。
二、PN结及其单向导电性、
1、PN结的形成
P9 1.2.
引导法。指导学生分组讨论，点名回答，教师针对性的补充说明，设下悬念，提高学生对本堂课的兴趣。
讲授法。
难点化解方法：
由物理现象开始，引导学生明确区分电子载流子和空穴载流子的差别，从而深入理解半导体导电的方式。
提问：半导体的分类？
总结对比法。
讲授法。
讲授法。
3、N型和P型半导体
（1）N型半导体：电子型
在本征半导体中掺入五价杂质原子，例如掺入磷原子，可形成N型半导体。
多数载流子自由电子,少数载流子空穴。
（2）P型半导体：空穴型
在本征半导体中掺入三价杂质原子，如硼等形成了P型半导体。
相对导体及绝缘体，半导体元件的导电原理学生是难以理解的，故半导体元件的导电原理是本章难点。
教材处理思路
这两节课是电子技术基础科目里的的重要章节，半导体的导电原理及PN结的单向导电性是电子技术的基本内容，只有理解相关原理，才能掌握电子电路正确的分析设计方法。
技校学生，他们普遍对学习欠缺主动性，所以教师必须用各种方法激发其兴趣，吸引其注意力。而这两节课采用多种教学方法，让学生成为课堂的主角，通过对教学内容的分解，同时培养学生的竞争意识，预计能收到良好的教学效果。
多数载流子自由电子,少数载流子空穴。
由上述分析我们得出：杂质半导体内部有两种载流子(自由电子、空穴)参与导电。当杂质半导体加上电场时，两种载流子产生定向运动共同形成半导体中的电流。主要靠自由电子导电的杂质半导体是N型半导体，主要靠空穴导电的杂质半导体是P型半导体。
二、PN结及其单向导电性、
1、PN结的形成
P9 1.2.
引导法。指导学生分组讨论，点名回答，教师针对性的补充说明，设下悬念，提高学生对本堂课的兴趣。
讲授法。
难点化解方法：
由物理现象开始，引导学生明确区分电子载流子和空穴载流子的差别，从而深入理解半导体导电的方式。
提问：半导体的分类？
总结对比法。
讲授法。
讲授法。
工程学概论-半导体基本特性02
半导体的能带结构
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
半导体的能带 (价带、导带和带隙)
量子态和能级
原子能级 能带
固体的能带结构
能带
禁带
3． 热平衡载流子的浓度
在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状 态。
＋4
＋4
＋4
空穴
自由
电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
图 1-3 电子-空穴对的产生和空穴的移动
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载
流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态下的本征半导体，其 载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。
根据半导体物理中的有关理论，可以证明
ni pi K3/T 2eE g0/2 (k)T
（1-1）
式中，浓度单位为cm-3，K是常量（硅为3.88×1016 cm-3K-3/2，锗 为 1.76×1016cm-3K-3/2 ） ， T 为 热 力 学 温 度 ， k 是 玻 尔 兹 曼 常 数 （8.63×10-5 ev/K），Eg0 是T=0 K（即-273℃）时的禁带宽度 （硅为1.21 ev， 锗为0.785 ev）。