第1章常用半导体器件

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。
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 。 自由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)。
➢ 发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。当PN结反向击 穿时, 只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻 Ｒ实现), 不使其过大, 以免因过热而烧坏ＰＮ结, 当反向 电压(绝对值)降低时, PN结的性能就可以恢复正常。
➢ 稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现稳 压的, 当流过ＰＮ结的电流变化时, 结电压保持ＵＢ基本 不变。（将在1.2.5中详细介绍）
五、PN结的电容效应
当PN结上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷 量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。
电容效应包括两部分 势垒电容 扩散电容
1. 势垒电容Cb 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
空间
空间
P 电荷区 N
P
电荷区
N
I+ V U R

(a) PN 结加正向电压
I
V UR
+
第一章 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 双极型晶体管
第
1.4 场效应管
四 1.5 单结晶体管和晶闸管
版 童
1.7Multisim应用举例
诗
白
本章重点和考点：
1. 二极管的单向导电性、稳压管的原理。
2. 三极管的电流放大原理， 如何判断三极管的管型 、管脚和管材。
第
3. 场效应管的分类、工作原理和特性曲线。
光敏器件
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。
二极管
二、本征半导体的晶体结构
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
+4
+4
+4
将硅或锗材料提
纯便形成单晶体，
共 价
它的原子结构为 键
+4
+4
共
用
电
+4
子
共价键结构。
+4
当温度 T = 0 K 时，半导 体不导电，如同绝缘体。 图 1.1.1
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。
1.1.2 杂质半导体
采用扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的 杂质元素，形成杂质半导体。
杂质半导体有两种
N 型半导体 P 型半导体
控制掺杂元素的浓度，即可控制其导电性。
一、 N 型半导体(Negative)
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如
➢ 雪崩击穿：掺杂浓度较低，反 向电压较大时，电场使少子加 快漂移速度，把价电子撞出共 价键，产生电子-空穴对，又 撞出价电子，称为雪崩击穿。 击穿时要限制电流,否则造成 永久性损坏。
第一章 半导体器件
反向击穿发生的条件与影响，如何利用？
➢ 对硅材料的PN结, 击穿电压ＵＢR大于７V时通常是雪崩 击穿, 小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢR在４V和７V之 间时两种击穿均有。由于击穿破坏了PN结的单向导电 特性, 因而一般使用时应避免出现击穿现象。
四
版
童
本章教学时数：
8学时
诗
白
本章讨论的问题：
1.为什么采用半导体材料制作电子器件？
2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？
3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？
当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？
4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么
第 具有单向性？在PN结中加反向电压时真没有电流吗？
第一片集成电路只有4个晶体管，而97年一 片集成电路上有40亿个晶体管。科学家预测集成 度按10倍/6年的速度还将继续到2015或2020年， 将达到饱和。
1.1 半导体的基第一础章知半导识体器件
1.1.1 本征半导体
纯净的具有晶体结构的半导体
一、导体、半导体和绝缘体
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。
P
自由电子和
空穴浓度差形成
多数载流子的扩
散运动。
复合的过程使交界
处的多子浓度下降，
P
PN它形区区们成出出是空2现现. 不间扩负正能电离散离移荷子子运动区区区动的，，，
形—成—空间PN电荷结区，。耗
尽层。
耗尽层 空间电荷区
N N （动画1-3）
3. 空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 电位壁垒； —— 内电场；内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(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。
电路中产生反向电 外电场使空间电荷
PN 结外加反向电
5 价杂质原子称为施主原子。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
+4
图 1.1.3 N 型半导体
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
空穴
+4
+34 受主 +4
原子
+4
+4
+4
图 1.1.4 P 型半导体
3 价杂质原子称为 受主原子。
(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
1.1.3 PN结
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。
一、PN 结的形成
P
PN结
N
图 PN 结的形成
PN 结中载流子的运动
1. 扩散运动
即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。
P
N
对称结
不对称结
总结：
第一章 半导体器件
思考：在PN结外加电压 后，载流子将如何运动？
➢浓度差—扩散运动 ➢复 合—空间电荷区 ➢内电场—漂移运动 ➢多子扩散=少子漂移 达到动态平衡，形成 PN结。 ➢ 在空间电荷区内自 由电子和空穴都很少， 所以称为耗尽层。
第一章 半导体器件
第一讲 思考题
• 本征半导体中加入 五价 元素可以形成N型半导体，
加入
元三价素可以形成P型半导体。
• 当温度升高时，二极管的反相饱和电流将增大 。
• 空穴是载流子吗？空穴导电时电子运动吗？
本征半导体两端外加一个电场，由于空穴的存在， 价电子将按一定的方向依次填补空穴，使空穴产 生定向运动，形成空穴电流。
压时处于截止P状态
流 Is
耗尽层
区变宽
N
(反偏)
IS
内电场方向由于少数不载利流于子扩浓散运动，
外电场方向度很低，反有向利电于流漂移运动
V
R 数值非常小
图 1.1.7 PN 结加反相电压时截止
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，
随着温度升高， IS 将急剧增大。
综上所述： 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的 正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小， 几乎等于零， PN 结处于截止状态。
（b) PN 结加反向电压
空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的 放电和充电过程。
3 EGO
ni pi K1T 2e 2kT
ni、pi:自由电子与空穴浓度（ ）； T：热力学温度；
k：玻尔兹曼常数（
）；
EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量； K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能
级密度有关的常量。
T=300K时，硅、 锗本征载流子浓度 分别为
n = p =1.43E10/cm3 本征硅
n = p =2.38E13/cm3 本征锗
小结：
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。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另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、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
第一章 半导体器件
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 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， 它的导电能力明显变化。
+4
+4
导电能力，但很微弱。
图 1.1.2 本征半导体中的
空穴可看成带正电的载流子
自由电子和空穴
第一章 半导体器件
四、本征半导体中载流子的浓度
本征激发 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象
复合
动态平衡 运动中的电子填补了空穴，使二者同时消失
在一定温度下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。
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
阻挡层
P
空间电荷区
N
内电场 Uho
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大小相等时，PN 结总的电 流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。
二、 PN 结的单向导电性（第空二间讲电）荷区变窄，有利
1. PN结 外加正向电压时处于导通于状扩态散运动，电路中有
较大的正向电流。
又称正向偏置，简称正偏。
P
耗尽层
N
I
内电场方向
外电场方向
电阻R的作用？
V
R
图 1.1.6
实验证明，在 PN 结加上一个很小的正向电压（大约 零点几伏），就可以使PN结处于导通状态， PN结通过较 大的正向电流，为防止电流过大，所以需要接入电阻 R。
本征半导体中载流子的浓度公式： 3 EGO (各参数的含义)
ni pi K1T 2e 2kT
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.43×1010/cm3
本征锗的电子和空穴浓度:
n = p =2.38×1013/cm3
第一章 半导体器件
四、本征半导体中载流子的浓度
空穴浓度多于自由 电子浓度，即 p >> n。 空穴为多数载流子，自 由电子为少数载流子。
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。
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。
图所示:ＵBR称为击穿
电压。
齐纳击穿
雪崩ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ穿
图 1.1.10 PN结的伏安特性
反向击穿
第一章 半导体器件
i/ mA
–50
反 向 特 性
60
40
20 –25
0 – 0.002
0.5 1.0 u / V
– 0.004
图 1.1.10 PN结的伏安特性
➢ 齐纳击穿：高掺杂情况，耗尽 层很窄，不大的反向电压可产 生很大的电场，直接破坏共价 键，产生电子-空穴对，称为 齐纳击穿；
UT 26 mV
四、PN结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。
i/ mA
正向特性
60
i随着u按指数
40
规律变化
20
–50 –25
反 向
0 0.5 1.0 u / V 击穿电–压0.002
特 性
U(BR–) 0.004 死区电压
反向击穿
当反向电压超过某一
数值(ＵBR)后, 反向电
流急剧增加, 这种现 象称为反向击穿, 如
四 版
5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效 应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它
童 们都可以用于放大？
诗
白 6.为什么半导体器件的参数会受温度影响？
引子：
第一章 半导体器件
电子技术的发展
• 47年 贝尔实验室制成第一只晶体管
• 58年 集成电路
• 69年 大规模集成电路
• 75年 超大规模集成电路
+4
+4
本征半导体结构示意图
三、本征半导体中的两种载流子
T 运载电荷的粒子称为载流子。
若 T ，将有少数价
+4
+4
+4
电子克服共价键的束缚成
为自由电子，在原来的共
空穴
自由电子
价键中留下一个空位—— +4
+4
+4
空穴。
两价种电载子流按子一：定自方由向电依子次和填
空补穴空，穴使，本形征成半空导穴体电具流有。 +4
可见， PN 结具有单向导电性。
（动画1-4）（动画1-5）
三、 PN 结的电流方程
PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为
qu
i IS(e kT 1)
u
i IS(e UT 1)
公式推导过程略
IS ：反向饱和电流 q：电子的电量； k：玻尔兹曼常数； T：热力学温度。
UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下，