半导体基础知识
半导体知识
3、扩散运动和漂移运动同时存在
在电场作用下，任何载流子都做漂移运 动，但是漂移电流主要是多数载流子的贡献， 而扩散情况下，只有光照产生的少数载流子 存在较大的浓度梯度，故对扩散电流的贡献 主要是少数载流子。
4、PN 结
在一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体， 另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型 半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
• 只有最外层的电子的共有化特征最明显。
• 晶体中电子因为共有化特征，可以在原子间转移，但是它 只能在能量相同的量子态之间发生转移，所以，共有化的 量子态与原子的能级之间存在着直接的对应关系。
B、能带：能量近乎相同的能级相互靠的很近，组
成一定的能量区域，我们将这些能量区域中密集的
能级形象的称为能带。
温度愈高，晶体中产生的 自由电子愈多。
导电过程
在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补， 出现了一个新的空穴，其结果相当于空穴的运动(相当于正 电荷的移动)。
在半导体中将出现两部分电流： (1) 自由电子作定向运动：电子电流。 (2) 价电子递补空穴：空穴电流。 自由电子和空穴都称为载流子。
同质结：用同一种半导体材料制成的PN结； 异质结：由禁带宽度不同的两种半导体材料（如GaAl/GaAs、 InGaAsP/InP等）制成的PN结。
制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长 法等。制造异质结通常采用外延生长法。
5、半导体对光的吸收
h Eg Eg / h v c/
间的半导体。 • 电阻率<10-3欧姆•厘米——导体：金属 • 电阻率>1012欧姆•厘米——绝缘体：玻璃 • 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体：硫化镉
半导体基础知识
设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V
VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
A BY 0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
A BY 0 00 0 11 1 01 1 11
二极管构成的门电路的缺点
• 电平有偏移 • 带负载能力差
第三章 门电路
3.1 概述 • 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如
与门、与非门、或门 ······
门电路中以高/低电平表 示逻辑状态的1/0
获得高、低电平的基本原理
高/低电平都允许有 一定的变化范围
正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1
3.2半导体二极管门电路
T1 , T2同时导通
若T1 , T2参数完全对称，VI
1 2
VDD时，VO
1 2 VDD
三、输入噪声容限
在VI 偏离VIH 和VIL的一定范围内，VO 基本不变； 在输出变化允许范围内，允许输入的变化范围称为输入噪声容限
VNH VOH(min) VIH (min) VNL VIL(max) VOL(max)
• 硅管，0.5 ~ 0.7V • 锗管，0.2 ~ 0.3V
• 近似认为:
• VBE < VON iB = 0 • VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
iB
VBB VBE Rb
三极管的输出特性
• 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
iC f (VCE )
iC f (VCE )
三、双极型三极管的基本开关电路
半导体的基本知识
半导体的基本知识半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
半导体的电性质可以通过施加电场或光照来改变，这使得半导体在电子学和光电子学等领域有广泛的应用。
以下是关于半导体的一些基本知识：1. 基本概念：导体、绝缘体和半导体：导体（Conductor）：电导率很高，电子容易通过的材料，如金属。
绝缘体（Insulator）：电导率很低，电子很难通过的材料，如橡胶、玻璃。
半导体（Semiconductor）：电导率介于导体和绝缘体之间的材料，如硅、锗。
2. 晶体结构：半导体通常以晶体结构存在，常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。
3. 电子能带：价带和导带：半导体中的电子能带分为价带和导带。
电子在价带中，但在施加电场或光照的作用下，电子可以跃迁到导带中，形成电流。
能隙：价带和导带之间的能量差称为能隙。
半导体的能隙通常较小，这使得它在室温下就能够被外部能量激发。
4. 本征半导体和杂质半导体：本征半导体：纯净的半导体材料，如纯硅。
杂质半导体：在半导体中引入少量杂质（掺杂）以改变其导电性质。
掺入五价元素（如磷、砷）形成n型半导体，而掺入三价元素（如硼、铝）形成p型半导体。
5. p-n 结：p-n 结：将p型半导体和n型半导体通过特定工艺连接在一起形成p-n 结。
这是许多半导体器件的基础，如二极管和晶体管。
6. 半导体器件：二极管（Diode）：由p-n 结构构成，具有整流特性。
晶体管（Transistor）：由多个p-n 结构组成，可以放大和控制电流。
集成电路（Integrated Circuit，IC）：在半导体上制造出许多微小的电子器件，形成集成电路，实现多种功能。
7. 半导体的应用：电子学：微电子器件、逻辑电路、存储器件等。
光电子学：光电二极管、激光二极管等。
太阳能电池：利用半导体材料的光伏效应。
这些是半导体的一些基本知识，半导体技术的不断发展推动了现代电子、通信和计算机等领域的快速进步。
第三节 半导体
第三节半导体
半导体是当今电子行业最基础的材料之一，其作用和意义不容小觑。
在此我们将深入探讨半导体的相关知识。
一、什么是半导体？
半导体是指在室温下，其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
有
时也被称为半导体晶体。
二、半导体的种类
从其晶体结构来看，半导体可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅等。
三、半导体的应用
1、集成电路 - 由于半导体表现出了半导体-绝缘体-金属场效应，能
够强制控制流经半导体器件的电流强度和方向，因此可用于制作各种
逻辑、振荡器等集成电路。
2、光电器件 - 利用半导体光电特性制作出的器件，如太阳能电池、发光二极管、激光器等。
3、功率器件 - 利用半导体导电性能和电特性，制作出高变换效率、低损耗、高可靠性的功率电子元器件，如IGBT器件等。
4、传感器 - 利用半导体的光电、温度、湿度、压力等特性制作出的传感器器件。
四、半导体技术的发展趋势
1、晶体管微型化和集成化 - 在实际应用中，需要更高的速度、更小的面积和功耗，因此晶体管制作微型化和集成化是半导体技术的重要趋势。
2、功率器件的高效率和大功率 - 随着人们生活水平的提高，需要更高效、更可靠、更节能的电子设备，因此功率器件的高效率和大功率是半导体技术的趋势。
3、新型材料的开发 - 蓝宝石、碳化硅等新型材料在一定应用领域已得到广泛的应用，半导体技术发展也将趋于多样化。
总而言之，半导体技术因其广泛的应用领域和重要的作用被越来越广泛地关注着，也将成为电子行业长期的研究方向之一。
半导体基础知识
参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳 出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种 不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子的运动，我们把价电 子填补空穴的复合运动称为空穴运动。
半导体基础知识
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
汽车电工电子技术
半导体基础知识
半导体基础知识
主要内容：
本征激发、PN结的形成 PN结的单向导电性
重点难点：
本征激发、PN结的形成
半导体基础知识
1、物质的分类
在自然界中，物体按其导电能力划分为导体、绝缘 体和半导体。 导 体：如铜、铝 绝缘体：如橡胶、瓷器 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。
如硅、锗等
多余自 由电子
自由电子数目大大增加，这种半导体主要以自由电子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电为主，故N型 半导体被称为电子半导体。
在N型半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴则是少数载流子
半导体基础知识
3、杂质半导体
2. P型半导体 在硅晶体中掺入少量硼。每个硼原子只有三个价
电子，在构成共价键时，缺少一个电子而产生一个 空位(空穴)，当相邻原子中的价电子受激发时，就有 可能填补这个空穴，而在该相邻原子中出现一个空 穴，每个硼原子能提供一个空穴，于是在半导体中 就出现了大量空穴。
＋4
＋4
半导体的导电机理与金属导体导电机理的本质区别： 金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是 本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与 导电。
半导体基础知识
3、杂质半导体
1. N型半导体
半导体基础知识
容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半 导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思， 一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导 电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质） 所形成的半导体。杂质半导体有两类：N 型半导体和 P 型半导体。
多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此 处受到破坏。
7．常用半导体材料的晶体生长方向有几种？
我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的，因此单晶表现出各向异性。单晶生长的这种方向直接来自晶 格结构，常用半导体材料的晶体生长方向是<111>和<100>。
29．半导体芯片制造对厂房洁净度有什么要求？
空气中的一个小尘埃将影响整个芯片的完整性、成品率，并影响其电学性能和可*性，所以半导体芯片制造工艺需 在超净厂房内进行。1977 年 5 月，原四机部颁布的《电子工业洁净度等级试行规定》如下：
电子工业洁净度等级试行规定
洁净室等 洁净度 温度（℃） 相对湿度 正压值 噪声
电阻率 ρ=1/σ，单位为 Ω*cm
9．PN 结是如何形成的？它具有什么特性？
如果用工艺的方法，把一边是 N 型半导体另一边是 P 型半导体结合在一起，这时 N 型半导体中的多数载流子电子 就要向 P 型半导体一边渗透扩散。结果是 N 型区域中邻近 P 型区一边的薄层 A 中有一部分电子扩散到 P 型区域中去了， 如图 2-6 所示（图略）。薄层 A 中因失去了这一部分电子 而带有正电。同样，P 型区域中邻近 N 型区域一边的薄层 B 中有一部分空穴扩散到 N 型区域一边去了，如图 2-7 所示（图略）。结果使薄层 B 带有负电。这样就在 N 型和 P 型两 种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层 A 和 B（其中 A 带正电，B 带负电）。A、B 间便产生了一个电场， 这个带电的薄层 A 和 B，叫做 PN 结，又叫做阻挡层。
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。
半导体基础知识
一．名词解释：1..什么是半导体？半导体具有那些特性？导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体热敏性：导电能力受温度影响大，当环境温度升高时，其导电能力增强。
可制作热敏元件。
光敏性：导电能力受光照影响大，当光照增强时候，导电能力增强。
可制作光敏元件。
掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。
2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。
Si是一种化学元素，在地壳中含量仅次于氧，其核外电子排布是？。
3.半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。
电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N型半导体的掺杂元素为磷。
P型半导体主要空穴导电，N型半导体主要靠电子导电。
4. 导体：导电性能良好，其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流，常见的导体有铁，铝，铜等低价金属元素。
5.绝缘体：一般情况下不导电，其原子的最外层电子受原子核束缚很强，只有当外电场达到一定程度才可导电。
惰性气体，橡胶等。
6.半导体：一般情况下不导电，但在外界因素刺激下可以导电，例如强电场或强光照射。
其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。
Si,Ge等四价元素。
7. 本征半导体：无杂质的具有稳定结构的半导体。
8晶体：由完全相同的原子，分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料，构成晶体的完全相同的原子，分子，原子团称为基元。
9.晶体结构：简单立方，体心立方，面心立方，六角密积，NACL结构，CSCL结构，金刚石结构。
10.七大晶系：三斜，单斜，正交，四角，六角，三角，立方。
11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式：SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2OSI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H212.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。
常见的晶体有硅，锗，铜，铅等。
常见的非晶体有玻璃，塑料，松香等。
晶体和非晶体可以从三个方面来区分：1.晶体有规则的外形 2.晶体具有一定的熔点 3.晶体各向异性。
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半导体基础知识（详细篇）
2.1.1概念
根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。
1. 导体：容易导电的物体。
如：铁、铜等
2. 绝缘体：几乎不导电的物体。
如：橡胶等
3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。
在一定条件下可 导电。
半导体的电阻率为10-3〜109 cm 典型的半导体有硅 Si 和锗Ge 以 及砷化傢GaAs 等。
半导体特点：
1） 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。
光敏元件、热敏元件属于此 类。
2） 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。
二极管、三极管属于此 类。
2.1.2本征半导体
1. 本征半导体一一化学成分纯净的半导体。
制造半导体器件的半导体材料的纯度 要达到99.9999999%常称为“九个9”。
它在物理结构上呈单晶体形态。
电子 技术中用的最多的是硅和锗。
硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。
其简化原子结构模型如下 图： 外层电子受原子核的束缚力最 小，
成为价电子。
物质的性质是由价 电子决
定的。
2. 本征半导体的共价键结构
本征晶体中各原子之间靠得很近，
相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子
的价电子形成共价键。
外层电子受原子核的束缚力最小,
的。
使原分属于各原子的四个价电子同时受到 共价键中的价电
3.共价键
共价键上的两个电子是由相邻原子各用 一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。
束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足 够的能量，不易脱离轨道。
因此，在绝对温度 T=0° K （-273° C ）时，由于共价键中的电子 被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导 电。
只有在激发下，本征半导体才能导电 4. 电子与空穴
当导体处于热力学温度0°K 时，导体中没有自由电子。
当温度升高或受到 光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电, 成为自由电子。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中 性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为空穴。
电子与空穴的复合
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去， 称为复合，如图所示。
本征激发和复 合在一定温并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。
如下图所
硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图
空A
*
电
子为这些原子所共有,
度下会达到动态平衡。
空穴的移动
由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。
这样一来在共价键中就出现了电荷迁移一电流。
电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。
本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。
由于空穴数量有限，所以其电阻率很大
空穴在晶体中的移
动（动画）
2.1.3杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，
可使半导体的导电性发生显著
变化。
掺入的杂质主要是三价或五价元素。
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
1. N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。
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而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。
k 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；另外，硅晶体由于热激发会产生少量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。
在N 型半导体中自由电子是多数 载流
子,它主要由杂质原子提供；另 外，硅晶体
由于热激发会产生少量的 电子空穴对，所
以空穴是少数载流子。
N 型半导体结构 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，
因此五价杂质原子
也称为施主杂质。
•- 所以，N 型导体中的导电离子有两种：自由电子——多数载流子（由两部分组成）；
空穴一一少数载流子
2. P 型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了 P 型半导体，也 称为空穴型半导体。
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。
当相邻共价键上的电子因受激发获得能量时， 就可能填补这个空 穴，而产生新的空穴。
空穴是其主要载流子。
N 型半导体的结构示意图如图所示。
I, 「 J W W W
自由电子
茯价轉 •1
电子
仲: »
P 型半导体结构
在P 型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷 的负离子，三价杂质 因而也称为受主杂质。
而硅原子的共价键由于失去一个电 子而形成空穴。
所以P 型半导体的结构示意图如图所示。
3. 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 1.T=300 K 室温下,本征硅的电子和空穴浓度：n = P = 1.4 X 1010/cm3 2.本征硅的原子浓度：4.96 X 1022/cm 3
3.掺杂后N 型半导体中的自由电子浓度：n=5 xi016/cm3
以上三个浓度基本上依次相差 1000000/cm 3。
共价樓 確原子核 多子
空穴
◎◎◎◎◎
渥膜于垓
P 型半导体中空穴是多数载流子, 热激发形成。
主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由 o。