第四章 半导体理论
【半导体培训资料】第四章-能带理论-(Band-Theory)
以后的讨论, 如不特别指明, 均为RBZ图像.
参见：P207, 图4-32, 4-33
24
晶体中能带函数具有如下对称性：
En k En k , En k En k , En k En k Gn .
N
2
V
2
3
4
3
kF2
kF
3 2n 1/3 .
Fermi 球的表面称为 Fermi 面, Fermi 面的能量
称为Fermi 能 (级). Fermi 能对应的动量和速度分称
.
三个 p 轨道简并, 生成的能带是交叠的.
思考题：p 带的带宽是多少？
10
讨论
1. 对于最简单的情况, 一个原子能级对应一个能带. 原 2. 子的不同能级在固体中产生一系列的能带. 越低的能
带越窄, 越高的能带越宽. 这时原子能级和能带有简 单的对应关系, 相应的能带可称为 ns 带、np 带、nd 带等. p、d 态都是简并的, 对应的能带是相互交叠的
. 2. 形成晶体的过程中, 不同原子态之间也有可能相互混 合, 从而导致原子能级和能带之间不存在上述简单的对 应关系.
11
可以忽略不同原子态之间的相互作用的条件是微 扰作用远小于原子能级之间的能量差. 通常可以用能 带宽度反映微扰作用的大小. 对于内层电子, 能带宽度 较小, 能级和能带之间有简单的对应关系. 外层电子的 能带较宽, 能级和能带之间通常不存在简单的对应关 系, 可以认为主要是由几个能级相近的原子态相互组 合形成能带. 例如, 可以只计入同一主量子数中的 s 态 和 p 态之间的相互作用, 而略去其他主量子数原子态 的影响. 先对各原子态求Bloch和, 然后再组合四个 Bloch和得到能带电子波函数 (sp带).
半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
半导体的导电性
第四章半导体的导电性本章主要内容载流子在外加电场作用下的漂移运动半导体的迁移率、电导率和电阻率随温度和杂质浓度的变化规律迁移率的本质-----散射4.1 载流子的漂移运动迁移率1、欧姆定律对于金属，电流I = V(电压）/R（电阻）V-I关系是直线对于半导体，流过不同截面的电流强度不一定相同，“即电流分布不均匀，而欧姆定律不能说明材料内部各处电流的分布情况。
电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流J = ∆I/∆S单位：A/cm2或A/m2欧姆定律微分形式：上式把通过导体中某一点的电流密度和该处的电导率及电场强度直接联系了起来。
S故: 半导体导电= 电子导电J = Jn + Jp = (nqu平均自由程：载流子在连续两次散射间自由运动的平均路程平均自由时间：载流子通过平均自由程所需的平均时间τ电场：载流子加速---定向运动；散射：载流子运动方向改变---杂乱无章，各个方向；半导体的主要散射机构：离化杂质散射晶格散射中性杂质散射位错散射(P为散射几率)起因：常温下，浅施主带正电• 双曲线，电离杂质处于一个焦点 • 速度小，作用时间长，偏离角θ大，τ小 • 弹性散射，不改变入射电子能量，只改变运动方向 τ ∝ T3/2/NI 杂质浓度（2）、晶格散射 晶格原子在其平衡位置附近不断进行热振动，且各个 原子的振动不是孤立的。
分析表明：晶格中原子的振动都 是由若干不同的基本波动按波的叠加原理组合而成，这些 基本波动称为格波。
q代表格波波矢， q 的方向即波的传播方向晶格散射：载流子在运动过程中遭受振动的晶格原子的散射， 失去在电场中获得的能量，失去动量。
在能带具有单一极值的半导体中 起主要散射作用的是长波。
即波 长比原子间距大很多倍的格波。
电子热运动速度~105m/s 电子波波长约10-8m 根据动量守恒要求，声子波长 范围应在同一量级，即10-8m,而 晶体中原子间距为10-10m，因而 起主要散射作用的是长波。
半导体物理2013(第四章)
§4.2 载流子散射
§4.2.1 载流子散射的概念
理想的完整晶体里的电子处在严格的周期性 势场中,如果没有其他因素的作用,其运动状态保 持不变(用波矢k标志).但实际晶体中存在的各种 晶格缺陷和晶格原子振动会在理想的周期性势场 上附加一个势场,它可以改变载流子的状态，这种 附加势场引起的载流子状态的改变就是载流子散 射。
§4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
§4.3.2电导率、迁移率与平均自由时间的关系
设沿x方向施加强度为ε的电场，t=0时刻遭到散射， 经过t后再次被散射 q vx vx 0 * t
mn
多次散射后，v 0 在x方向上的分量为0，即
vx vx 0
0
v x0 0
q Pt tPe dt * mn
3 3 J x nqc x 3 3
q n 1 (1 2 3 ) 3 mc 1 1 1 2 ( ) mc 3 ml mt
1 2 3
q n ml q n mt q n mt
mc称为电导有效质量，对硅mc = 0.26m0 由于电子电导有效质量小于空穴电导有效质量，所以 电子迁移率大于空穴迁移率。
(l )
3 2
散射概率随温度的变化主要取决于中括号中 的指数因子，散射概率随温度的下降而很快 减小，所以在低温时，光学波的散射不起什 么作用，随着温度的升高，平均声子数增多， 光学波的散射概率迅速增大。
§4.2 载流子散射
§4.2.2 半导体的主要散射机构
3.其他因素引起的散射 （1）等同的能谷间散射 有些半导体导带具有极值能量相同的多个旋 转椭球等能面，载流子在这些能谷中分布相同， 这些能谷称为等同的能谷。对这种多能谷半导体， 电子可以从一个极值附近散射到另一个极值附近， 这种散射称为谷间散射。
第四章半导体材料-PPT课件
h
并非所有半导体都能发光。Si、Ge不发光。由能 带结构决定。间接能带结构的半导体不发光。直接能带 结构的半导体才发光。（发光材料一章介绍） Si、Ge是间接能带结构。Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaAs、 InP是直接能带，可以发光，被用作激光器和发光管。
目前，科学家正努力寻找Si发光的方法，如Si纳米 结构、超晶格。若成功，将使微电子器件和光电子器 件集中在一个硅片上，能大大提高效率、降低成本， 称为光电集成。
统称为半导体微结构材料（人工材料）
A B 异质结—两种不同半导体材料组成的结 量子阱—两个同样异质结背对背 ABA B ABA B 超晶格—两种或以上薄层周期性交替 生长。
半导体中自由电子局限于一个平面内运动——二维 电子气 理论上证明：二维运动电子发射光比 体材料三维运动电子发光更集中，更适合 做激光器，还有其他应用。 可以选择不同材料，设计具有不同禁带宽度和光 学性质的量子阱、超晶格制作新型光电器件——称为能 带裁剪工程。 二、超晶格种类 1、组分超晶格 不同半导体材料薄膜堆垛而成。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P
施主
P
P
n型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
当T升高，电子激发到 导带，在价带留下空穴。在 电场作用下，导带中电子和 价带中空穴均导电，称为本 征导电。
6 第4章 半导体的激发与发光——半导体照明课件PPT
第二节 注入载流子的复合
直接带隙半导体 间接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 价带的极大值和导带的极
值都位于k空间的原点上；
小值不位于k空间的原点上
价带电子跃迁到导带时，只 要求能量的改变，而电子的 准动量不发生变化，称为直 接跃迁；
价带的电子跃迁到导带时 ，不仅要求电子的能量要 改变，电子的准动量也要 改变，称为间接跃迁
（2）热击穿（不可逆）
反向电压
反向电流
结温
热激发
3、PN结的电容效应 在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压
能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有 的电容效应。
在突变结的情况下：
Cj
C0
(1
V
)
1 2
在缓变结的情况1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0
0.2
V（伏）
1.0
（２） 反向偏压
在ＰＮ结的P型区接电源负极，N型区接电源正极， 叫反向偏压。
E
p型
n型
E阻
阻挡层势垒增大、变宽， 不利于空穴向Ｎ区运动，
I 也不利于电子向P区运动，
没有正向电流。 PN结表现 为大电阻。
但是，由于少数载流子 的存在，会形成很弱的反 向电流，这个电流也称为 反向饱和电流。
直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体， GaAs，GaN，ZnO。
间接跃迁对应的半导体材 料称为间接禁带半导体， 例子：Si，Ge，GaP。
表4-2 直接和间接带隙半导体的理论复合概率（300K）
化合物 GaAs GaSb InP
超晶格第四章半导体超晶格
3�电学方法�C-V法�
当有外加电压Va存在时�势垒的宽度和高度的关系为�
( x0
−
x1 )
=
[
2ε1ε 2N D
qN A (ε1N A + ε 2N D
)
(VD
− Va
)]1/ 2
( x2
−
x0 )
=
[
2ε1ε 2N A
qN D (ε1N A + ε 2N D )
?异质结不同能隙材料形成的结如族族族等?主要特点能隙宽度介电常数及电子亲和势均不同?不仅是超晶格的基本组成部份其材料与结构的不同也为器件设计带来许多自由度及独特的性质21理想突变异质结能带图理想突变异质结的模型是两种材料一直到边界都保持其体内的特性在边界上才突变成另一种材料
第四章 半导体超晶格
§1 引言 §2 异质结 §3 超晶格量子阱中的新现象 §4 超晶格电子态理论 §5 超晶格晶格振动 §6 超晶格量子阱的光学性质 §7 超晶格量子阱的垂直输运性质 §8 超晶格量子阱应用例举 §9 量子Hall效应 *§10 低维超晶格和微结构
3�应变超晶格
一般认为�晶格常数的失配度<0.5%为晶格匹配� 失配度>0.5%为晶格失配。在晶格常数失配度<7% 的范围内�其中的一种或两种材料内存在应变�以 补偿晶格常数的失配�界面不产生位错与缺陷。
如�Si/Ge, GaP/InP
§2
异质结 - 超晶格的基本单元
“半导体异质结物理”, 虞丽生,科学出版社.
当势阱的宽度和载流子的有效质量已知时�可用和 实验数据相拟合的办法求出相应势阱的深度�即导 带带阶和价带带阶。
电子的跃迁满足选择定则 Δn = 0�即位于第n个重 �或轻�空图穴5 量能子级阱只中的能量跃子能迁级到和第光跃n迁个电子能级。
半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象
第四章 半导体中载流子的输运现象在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。
我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。
半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。
由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。
其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。
载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体内形成电流。
此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。
载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流－电压特性。
因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。
4.1漂移电流密度如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加电场的作用下，电子和空穴将产生净加速度和净移位。
电场力的作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。
载流子电荷的净漂移会产生“漂移电流”。
如果电荷密度为ρ的正方体以速度dυ运动，则它形成的电流密度为()4.1dr fdJ ρυ=其中ρ的单位为3C cm - ，drfJ 的单位是2Acm -或2/C cms 。
若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度epρ=，e 为电荷电量191.610(e C -=⨯库仑），p 为载流子空穴浓度，单位为3cm -。
则空穴的漂移电流密度/p drfJ可以写成：()()/ 4.2p drf dpJ ep υ=dp υ表示空穴的漂移速度。
空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为()*4.3p F m a eE==e 代表电荷电量，a 代表在电场力F 作用下空穴的加速度，*pm 代表空穴的有效质量。
如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。
但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。
半导体物理吉林大学半物第四章精品PPT课件
适合上述条件的量子统计,称为费米-狄拉克统计.
能带中的电子在能级上的分布，服从费米-狄拉克统计规律。
二、费米分布函数和费米能级
⒈费米-狄拉克统计分布： 热平衡时,能量为E的单电子态被电子占据的几率为
f E
1
exp E EF 1
KT
(4.10)
E EF 5 KT时，f E 0.993.
EF标志电子填充能级的水平
§4.3 能带中的电子和空穴浓度
为了计算单位体积中导带电子和价带空穴的数 目,即载流子浓度,必须先解决下述两个问题:
1、能带中能容纳载流子的状态数目; 2、载流子占据这些状态的几率.
通常所遇到的杂质浓度不太高的情况下,费米能 级是在禁带中,EC-EF or EF-EV>>KT,载流子遵循波 尔兹曼统计规律。通常把这种经典统计适用的情况, 称为非简并化情况。
NV(E)与E 的关系如图4.1所示.
价带的状态密度随着电子能量的增加同样按着抛物线关系增大， 价带顶附近，空穴能量越高，状态密度越大；
E
1
NC(E) NV(E)
2
图 4.1 状态密度与能量的关系
§4.2 费米分布函数
一、导出费米分布函数的条件（适用性）
⑴把半导体中的电子看作是近独立体系,即认为电子之间的相 互作用很微弱.
E
对于具体的电子体系, 在
或
E
exp
GE
E EF kT
1
N
一定温度下, 只要EF确定 了, 电子在能级中的分布 情况就完全确定了.
EF是反映电子在各个能级中分布情况的参数. 与EF相关的因素:
①与表示量子态分布的函数G(E)有关; ②与电子总数N有关，（如掺杂） ③与温度T有关;
半导体物理分章答案第四章
可忽略
占主导
非本征区
本征区
低温区
0 K
4.6 强电场下的效应 热载流子 Effect at Large Field, Hot Carrier
学习重点：
强电场下欧姆定律发生偏离的原因
1、欧姆定率的偏离与强电场效应
N型锗样品电流与电场强度的关系
光学波散射：
正负离子的振动位移会产生附加势场，因此化合物半导体中光学波散射较强。例如：GaAs 对于元素半导体，只是在高温条件下才考虑光学波散射的作用。例如：Ge、Si 离子晶体中光学波对载流子的散射几率
4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
当几种散射机构同时存在时
2
平均自由时间τ和散射几率P的关系
晶格振动表现为格波
1
N个原胞组成的晶体→格波波矢有N个。格波的总数等于原子自由度总数
2
一个格波波矢q 对应3(n-1)支光学波+3支声学波。
3
光学波=N (n-1)个纵波+2 N (n-1)个横波
4
声学波=N个纵波+2N个横波
5
晶格振动散射可理解为载流子与声子的碰撞，遵循两大守恒法则
6
准动量守恒
7
1、迁移率( Mobility ) 2、散射机制(Scattering mechanisms) 3、迁移率、电阻率与温度的关系
第四章 半导体的导电性 Electrical conduction of Semiconductors
202X
重点：
漂移运动 迁移率 电导率
学习重点：
202X
§4.1 载流子的漂移运动 迁移率 The drift motion of carrier, mobility
第四章半导体期末必考 p-n结
P区能带相对于N区能带上移的原因
能带图是按照电子 能量从高到低来画的。 由于内建电场使得P区电 子能量在原来能级基础 上叠加上一个由电场引 起的附加势能。
半导体中有电场存 在的地方，能带发生弯 曲，朝电场所指方向上 移，电场强度越强，能 带弯曲越厉害，电场为 零或很弱的地方，能带 保持平直。
P-N结的载流子分布
突变结
合金结的杂质分布如图所示，N型区中施主杂质浓度为 ND，而且是均匀分布的，P型区中受主杂质浓度为NA，也是 均匀分布的。在交界面处，杂质浓度从NA（P型区中）突变 为ND（N型区中），故称之为突变结。 设P-N结的位置在x=xj处，则突变结的杂质分布可表示为
在热平衡条件下求接触电势差
突变结
合金法
扩散法
在N型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散 等工艺制得P-N结。其杂质分布由扩散过程及杂 质补偿决定。如图所示在N型硅单晶上，生长一 层SiO2，通过光刻、扩散将P型杂质扩散入N型硅 单晶中，形成P-N结（亦称之为扩散结）。
P-N结能带图
扩散 当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度， 导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。
在一定的正向偏压下，单位时间内从N区来到xp处的 非平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的 分布。所以，在正向偏压一定时，在xp处就有一不变的向 P区内部流动的电子扩散流。 同理，在边界xn处也有一不变的向N区内部流动的空 穴扩散流。 N区的电子和P区的空穴都是多数载流子，分别进入 P区和N区后形成P区和N区的非平衡少数载流子。 当增大正偏压时，势垒降得更低，增大了流入P区的 电子流和流入N区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作 用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子 的电注入。
第四章_半导体的导电性
设有N个电子以速度v沿某方向运动，N(t)表示在t时刻尚
未遭到散射的电子数。则 t 到 t＋△t 时间内被散射的电 子数为N(t) P△t，即：
N (t ) N (t t ) N (t ) Pt
当△t很小时，可以写为：
dN t N t＋t －N t lim ＝－ PN t t 0 dt t
30
4.2.2 载流子的散射
3）其他散射机构
a. 中性杂质散射：在温度很低时，未电离的杂质(中性杂质)的数目
比电离杂质的数目大得多，这种中性杂质也对周期性势场有一定 的微扰作用而引起散射．但它只在重掺杂半导体中，当温度很低，
晶格振动散射和电离杂质散射都很微弱的情况下，才起主要的散
射作用． b. 位错散射：位错线上的不饱和键具有受主中心作用，俘获电子后
h l 3 2 1 f h l P0 1 2 nq
k0T
k 0T
n q＝
exph a k0T 1
1
γl为声子频率， nq为平均声子数 ，f h γ k0T 为T的缓缓变函
l
பைடு நூலகம்
其值值0.6变化到1.0
散射几率随温度的变化主要取决于 平均声子数，其随温度按指数上升:
14
4.2.1 漂移运动
迁移率与电导率
总漂移电流密度为：
J nqn ＋pqp E
与欧姆定律微分形式比较得
到半导体电导率表示式为：
nq n ＋pq p
电子和空穴的漂移运动
15
4.2.1 漂移运动
迁移率与电导率
对于n型半导体（n>>p），电导率为
nqn
对于p型半导体（p>>n），电导率为：
半导体物理与器件第四章3
n0 Na pa p0 Nd nd
在非简并条件下， 且杂质完全电离 （常温低掺杂）：
n0 p0 ni 2
nd pa 0
n0 p0 ni 2
n0 Na p0 Nd
n02 Nd Na n ni
n0
Nd Na 2
Nd Na 2 n i 2
2
对n型半导体 一般 掺杂 所以 ：
Nd ni
n0 Nd
则：
Nc Ec EF kT ln Nd
可用另外一种方式来推导费米能级位置：
由
EF EFi n0 ni exp kT
当
Na Nd ni
n0 p0 ni
当有效掺杂浓度远小于ni时，对于非简并完全电离的补偿 半导体，多子浓度近似等于本征载流子浓度，此时半导体 具有本征半导体的特性 特别的当
Na Nd 0 ni 半导体为完全补偿半导体
n0 p0 ni
杂质半导体的载流子浓度与杂质浓度的关系： 一定温度下，当杂质浓度小于ni时，n0，p0都等于ni， 材料视为本征的。 一定温度下，当杂质浓度大于ni时，多数载流子由杂质浓 度决定，随杂质浓度增加而增加，少数载流子随之减少。
4.6 费米能级的位置
从热平衡电子浓度的表达式：
Ec EF n0 N c exp kT Nc Ec EF kT ln n0
在常温下，杂质完全电离的 非简并半导体 ，载流子浓度由此前的与掺杂 浓度有关的方程给出。 即n0 为 ：
同样，对于掺入受主杂质的p型非本征半导体材料，在室 温下，对于1016cm-3左右的典型受主杂质掺杂浓度来说， 其掺杂原子也已经处于完全电离状态。
半导体理论
半导体理论半导体材料是半导体科学的分支之一，它是半导体科学发展的物 质基础。
18世纪，伏特利用静电计对不同材料接地放电，区分了金属， 绝缘体和导电性介于它们之间的“半导体”。
半导体一首次进入人们 的视野。
科学家对当时的半导体特性作了一些研究，发现半导体的主要特 征是： 电阻率大体在10-3~109?.cm 范围;②电阻率的系数是负的（1833,法拉第）；③通常具有很高的热电势；④对光具有敏感性，能产生 光伏效应或光电效应（1873,史密斯）：⑤具有整流效应（1874,布 劳恩）；⑥半导体和金属接触在光照下产生了电动势，这就是半导体 光生伏打效应（1876,亚当斯）；⑦半导体有两种不同的载流子，其 数目比金属少但迁移率却较高（1879,霍尔）。
由于半导体材料的不纯和其物理理论的不完善限制半导体科学 的发展。
直到20世纪30年代初，由于量子力学的发展，提出了能带 概念，固体能带论揭示了半导体的本质，为其后材料和器件的发展打 下坚实的理论基础。
为棱长孚的菱立方，由体对角线的两个原子和六个咐原子构成半导体硅的晶体结构: 其结构和金刚石类似,棱立方，其内包含一个距顶角1体对角线的原子，因此，原胞共含有 4 2个原子。
能带：①存在轨道杂化，失去能级与 能带的对应关系。
杂化后能 带重新分开为上能带和下能 带，上能带称为导带，下能 带称为价带 低温下，价带填满电子，导 带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使 晶体呈现弱导电性。
导带与价带间的能隙称为禁带禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。
当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续。
从能带看导电性：满带，其中的能级已被电子所占满，在外电场作 用下，满带中的电子并不形成电流，对导电没有贡献，通常原子中的 内层电子都是占据满带中的能级，因而内层电子对导电没有贡献。
对 于被电子部分占满的能带，在外电场作用下，电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的的能级去， 起导电作用，常称这种能带为 导带。
北大半导体器件物理课件第四章4亚阈值特性
• Cgs、Cgd 和Cds 属于本征MOSFET部分 • 现在，已经提出了很多MOSFET本征电容模型，其中Meyer
提出的长沟器件模型被许多电路模拟软件广泛采用。下面简
半导体器件物理
Meyer模型
• 在Meyer模型中，栅-沟道之间的分布电 容被分ห้องสมุดไป่ตู้为三个集总电容：
gD
= ∂ID ∂VDS
=
gD'
1+ Rs gm '+(Rs + RD )gD '
半导体器件物理
代入下式：
VG′ S = VGS − I D Rs VD′ S = VDS − I D (Rs + RD )
即得：
gm
=
∂I D ∂VGS
=
gm'
1+ Rs gm '+(Rs + RD )gD '
反型层中载流子迁移率与温度有很大的关系。对于高性
能的器件，电子的表面迁移率可从室温时的 600cm2 /V ⋅ s 到液氦时4.2K的 20000cm2 /V ⋅ s。在室温附近200K~400
K温度范围内 μn与温度的关系可简单表示为
μ
(T
)
=
μ
(T0
T )(
T0
)−m
μ(T )是T温度下的低场迁移率，μ(T0 )是 T0 温度下的低场迁
半导体器件物理
低频小信号等效电路
1. 栅跨导（跨导） 定义：
• 利用萨方程求解栅跨导
– 非饱和区： – 饱和区：
若考虑沟道长度调制效应
• 栅跨导gm标志着共源极工作时输入电压对输出电流的控制 能力。
第4章 半导体理论
1、电容滤波器(C滤波器)
1)滤波原理
以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电 路如图所示。
a
u1 u1
D4
u2
D1
D3
C
S u0
D2
RL
b
桥式整流电容滤波电路
a
u1 u1
D4
u2
D1
D3
C
D2 b
RL未接入时
u2
忽略整流电路内阻
设t1时刻接 通电源
t1 充电结束
u0
整流电路为电 容充电
S u0
1、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
R
内电场
E
2、PN 结反向偏置
_ P
变厚
－+ －+ －+ －+
内电场被加强，多子的
扩散受抑制。少子漂移
加强，但少子数量有限，
只能形成较小的反向电
流。
+
N
内电场
外电场
R
E
4.3 半导体二极管
ID I0
(3)、输出特性(外特性): 1.4U2 uL 电容滤波
0.9U2
纯电阻负载 IL
0
输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0随之 改变。 如:RL愈小(I0越大),U0下降多
结论
电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电 流较小且负载变动不大的场合。
2、 电感电容滤波器(LC滤波器) L
（2）电感滤波的特点:
整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比 较平坦,适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺 点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。
第4章半导体理论-精品文档
中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
二、PN结的单向导电性
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。
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子 束缚电子
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质
取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时， 空穴
产生一个空穴。这个空穴
可能吸引束缚电子来填补，
+4
+4
使得硼原子成为不能移动
的带负电的离子。由于硼
+3
+4
原子接受电子，所以称为
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
D1
D3
C
D2
只有整流电路输
出电压大于u0的 时间区间，才有
u0
充电电流。因此
整流电路的输出
电流是脉冲波。
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第四章半导体理论第一节半导体的导电特性[4001]下列描述中不属于本征半导体的基本特征是______。
A．温度提高导电能力提高 B．有两种载流子C．电阻率很小，接近金属导体 D．参杂质后导电能力提高[4002]若在本征半导体中掺入某些适当微量元素后，若以空穴导电为主的称______，若以自由电子导电为主的称______。
A．PNP型半导体／NPN型半导体 B．N型半导体／P型半导体C．PN结／PN结 D．P型半导体／N型半导体[4003]一般来说，本征半导体的导电能力______，当掺入某些适当微量元素后其导电能力______。
A．很强／更强 B．很强／降低 C．很弱／提高 D．很弱／更弱[4004]在P型半导体中多数载流子是______，在N型半导体中多数载流子是______。
A．空穴／自由电子 B．自由电子／空穴 C．空穴／共价键电子 D．负离子／正离子[4005]N型半导体中的多数载流子是______。
A．自由电子 B．空穴 C．束缚电子 D．晶格上的离子[4006]P型半导体中的多数载流子是______。
A．自由电子 B．空穴 C．束缚电子 D．晶格上的离子[4007]关于P、N型半导体内参与导电的介质，下列说法最为合适的是______。
A．自由电子、空穴、位于晶格上的离子B．无论P型还是N型半导体，自由电子、空穴都是导电介质C．对于P型半导体，空穴是唯一的导电介质D．对于N型半导体，空穴是唯一的导电介质[4008]对于半导体材料，若______，导电能力减弱。
A．环境温度降低 B．掺杂金属元素 C．增大环境光照强度 D．掺杂非金属元素[4009]金属导体的电阻率随温度升高而______；半导体的导电能力随温度升高而______。
A．升高／升高 B．降低／降低 C．升高／降低 D．降低／升高[4010]关于N型半导体的下列说法，正确的是______。
A．只存在一种载流子：自由电子B．在二极管中，N型半导体一侧接出引线后，是二极管的正极C．在纯净的硅衬底上，分散三价元素，可形成N型半导体D．在PNP型的晶体管中，基区正是由N型半导体构成[4011]关于P型半导体的下列说法，错误的是______。
A．空穴是多数载流子B．在二极管中，P型半导体一侧接出引线后，是二极管的正极C．在纯净的硅衬底上，掺杂五价元素，可形成P型半导体D．在NPN型的晶体管中，基区正是由P型半导体构成第二节 PN结的单向导电性[4012]下列说法正确的是______。
A．P型半导体带正电 B．N型半导体带正电C．PN结为电的中性体 D．PN结存在内电场，用导线短接时，有电流产生[4013]下列PN结两端的电位值，使PN结导通的是______。
A．P端接+5 V，N端通过一电阻接+7 V B．N端接+2 V，P端通过一电阻接+7 VC．P端接-3 V，N端通过一电阻接+7 V D．P端接+1 V，N端通过一电阻接+6 V[4014]如果将一个普通的PN结的两端通过一电流表短路，回路中没有其他电源。
当用光线照射该PN结时，电流表的读数______。
A．为零 B．增大 C．减小 D．视光强确定[4015]半导体PN结是构成各种半导体器件的工作基础，其主要特性是______。
A．具有放大特性 B．具有单向导电性C．具有改变电压特性 D．具有增强内电场特性第三节二极管、稳压管的基本特性[4016]在采用动圈式模拟万用表的欧姆挡检测二极管的极性时一般使用______挡，这是因为______。
A．R³100／防止过压反响击穿二极管B．R³100／防止二极管导通时正向电流过大而烧坏C．R³1／防止过压反响击穿二极管D．R³1／防止二极管导通时正向电流过大而烧坏[4017]如图电路，R=1 kΩ，设二极管导通时的管压降为0.5 V，则电压表的读数是______。
A．0.5 VB．15 VC．3 VD．5 V[4018]如图，设输入信号i u为正弦波，幅值为1 V，二极管导通时的正向电压降为0.6 V，关于输出信号0u波形的说法，正确的是______。
A．输出电压值范围介于-0.6、+0.6之间B．输出电压值范围介于0、+0.6之间C．输出电压值范围介于-0.6、0之间D．输出电压值范围介于0、1之间[4019]如图，设输入信号i u为正弦波，幅值为10 V，E=5 V。
忽略二极管导通时的正向电压降，关于输出信号0u波形的说法，正确的是______。
A．输出电压值范围介于-10 V、+5 V之间B．输出电压值范围介于+5 V、+10 V之间C．输出电压值范围介于-15 V、+5 V之间D．输出电压值范围介于-10 V、-5 V之间[4020]如图电路中，V C=-12 V，V A=+3 V，V B=0 V。
设二极管正向管压降为0.5 V，则V F=______ V。
A．+2.5 V B．+3.5 VC．+0.5 V D．-0.5 V[4021]关于二极管的功能，下列说法错误的是______。
A．整流功能 B．滤波功能 C．钳位功能 D．小范围稳压功能[4022]图中二极管的管压降均为0.7 V，可求得U0=______。
A．9 VB．0 VC．1.4 VD．2.1 V[4023]对于晶体二极管来说，以下说法错误的是______。
A．正向电阻很小B．无论加多大的反向电压，都不会导通C．未被反向击穿前，反向电阻很大D．所加正向电压大于死区电压时，二极管才算真正导通[4024]二极管能保持正向电流几乎为零的最大正向电压称为______。
A．死区电压 B．击穿电压 C．截止电压 D．峰值电压[4025]在下列关于硅二极管“死区电压/在额定电流范围内的正向管压降”数据中，合适的是______。
A．0.1／0.5 B．0.2／0.5 C．0.5／0.7 D．0.5／1.0[4026]如图电路，R=10 kΩ，忽略二极管导通时的管压降，则电流表的读数是______。
A．0 mAB．1.5 mAC．0.3 mAD．15 mA[4027]用动圈式模拟万用表欧姆挡检测二极管的极性，红黑表笔分别接二极管的两个极，测其电阻，再调换表笔再测一次电阻，电阻______的那一次，黑表笔接的是______极。
A．大／阴 B．小／阴 C．小／阳 D．大／阴或小／阳[4028]稳压管正常工作时，一般情况下是工作在______状态。
A．反向击穿 B．放大 C．正向击穿 D．截止[4029]在采用动圈式模拟万用表的欧姆挡检测二极管的极性时，若红黑表笔分别接二极管的两个极测其电阻，调换表笔后再测一次电阻。
若二次所测电阻值都比较小或都很大，说明二极管性能______。
A．正常／正常 B．不正常／正常 C．正常／不正常 D．不正常／不正常[4030]用万用表测试二极管性能时，如果正反向电阻相差很大，则说明该二极管性能______，如果正反向电阻相差不大，则说明该二极管______。
A．好／好 B．好／不好 C．不好／不好 D．不好／好[4031]如图，设输入信号u i为正弦波，幅值为10 V。
D Z为双向限幅的稳压管，U Z=5 V。
关于输出信号u0波形的说法，最为恰当的是______。
A．输出电压值范围介于-10 V、+5 V之间B．输出电压值范围介于+5 V、+10 V之间C．输出电压值范围介于-10 V、+10 V之间D．输出电压值范围介于-5 V、+5 V之间[4032]如图所示电路，此图中晶闸管的作用为_____ ,二极管作用为________.A.开关，整流B.可控整流，续流二极管C.整流，开关D. 续流，整流[4033]如图，在单相半波整流电路中负载两端并联电容后组成一个简单的电容滤波器，它是根据电容的_________制成的。
A．电流不能突变 B.电压不能突变 C.阻交流隔直流 D.以上均错[4034]如图，设输入信号u i为正弦波，幅值为10 V。
D Z为稳压管，其U Z=5 V。
若忽略二极管及稳压管的正向导通压降，关于输出信号u0波形的说法，最为恰当的是______。
A．输出电压值介于0 V、+5 V之间B．输出电压值介于-10 V、+5 V之间C．输出电压值介于-10 V、+10 V之间D．输出电压值介于-5 V、+5 V之间[4035]某电工师傅在一整流滤波电路后，欲加稳压环节使电压稳定在6 V。
但手头仅有U Z=5.8 V的稳压管和正向导通电压为0.2 V的二极管。
关于该环节的正确电路是______。
（R为稳压管限流电阻）[4036]稳压管的稳压功能通常是利用下列______特性实现的。
A．具有结电容，而电容具有平滑波形的作用 B．PN结的单向导电性C．PN结的反向击穿特性 D．PN结的正向导通特性[4037]一电路如图所示，设稳压管的稳压值U Z = 6 V，当U12由零变化到12 V时，测出U32的变化特性是______。
[4038]一电路如图所示，设稳压管的稳压值U Z = 6 V，当U12由零变化到12 V时，测出U32的变化特性是______。
[4039]图中稳压管的稳压值为6 V，正向压降为0.7 V，可求得U0=______。
A ．6 VB ．0.7 VC ．6.7 VD ．5.3 V[4040]图中稳压管的稳压值为5 V ，二极管正向导通管压降为0.7 V 。
可求得U 0=______。
A ．20 VB ．5.7 VC ．1.4 VD ．10 V[4041]在下列关于锗二极管“死区电压／在额定电流范围内的正向管压降”数据中，合适的是______。
A ．0.1～0.2／0.3B ．0.2～0.3／0.7C ．0.3～0.5／0.7D ．0.5／0.7第四节 单相整流电路[4042]桥式全波整流电路中，若有一只二极管开路，将会导致的结果是______。
A ．半波整流B ．输出电压为零C ．电路出现短路D ．输出电压平均值升高，可能烧毁负载[4043]如图，单相半波整流电路中，为使电路可靠工作，整流二极管的反向耐压值必须大于______。
A ．负载电压平均值B ．整流变压器副边电压最大值C ．整流变压器副边电压有效值D ．整流变压器原边电压最大值[4044]如图所示的单相全波整流电路中，输出直流电压平均值U O ；二极管承受的最高反向电压U DRM 。
(设ul 和u2的有效值都为U)。
A ．0.9U ，22UB ．0．45U3U C ．0．45U ，2U D ．0.9U ， 2U[4045]单相半波整流电路，输入交流电压有效值为100 V ，则输出的脉动电压平均值为______；二极管承受的最高反向电压为______。
A ．45 V ／100 VB ．90 V ／100 VC ．90 V ／141 VD ．45 V ／141 V[4046]在单相半波整流电路中，输出直流电压平均值U 0=______；二极管承受的最高反向电压U DRM =______。