第二章常用半导体器件基础
半导体器件基础知识课件(2)
c)饱和区 靠近输出特性纵坐标轴，曲线上升部分所对应的区域称为饱和区。IC随IB增大而增大，UCE则相应减小，当IC增加到接近于VCC/RC时，UCE近似为零，此后IB再增大，IC不再增大，即IC不再受IB的控制，三极管进入饱和状态。此时的IC称为集电极饱和电流，集、射极电压称为集、射极饱和电压，集、射极间相当于接通状态。在饱和状态下，发射结和集电结均为正向偏置。
光敏二极管 又称光电二极管。其管壳上有透明聚光窗，由于PN结的光敏特性，当有光线照射时，光敏二极管在一定的反向偏压范围内，其反向电流将随光射强度的增加而线性地增加，这时光敏二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通二极管一样。
光电耦合器 把发光器件和光敏器件组装在一起，使用时将电信号送入输入测的发光器件，将电信号转换成光信号，由输出侧的光敏器件（又称受光器件）接收并再转换成电信号。由于输出与输入之间没有直接电气联系，信号传输是通过光耦合的，所以也称其为光电隔离器。 光电耦合器的特点：发光器件与受光器件互不接触，绝缘电阻很高，并能承受2000V以上的高压，因此经常用来隔离强电和弱电系统；光电耦合器有极强的抗干扰能力；光电耦合器具有较高的信号传递速度。 光电耦合器的用途很广，如作为信号隔离转换，脉冲系统的电平匹配，微机控制系统的输入、输出回路等。
3.特性曲线
三极管的特性曲线全面反映了三极管各极电压与电流之间的关系，是分析三极管各种电路的重要依据。 (1)输入特性曲线 输入特性是指在三极管的集、射极间所加的电压UCE为常数时，基、射极间电路UBE与基极电流IB之间的关系。
当UCE=0时，集电极和发射极间短路，输入特性相当于由集电结和发射结组成的两个二极管并联的正向特性，这时的电流IB是两个二极管的正向电流之和。当UCE=1V时，对应于相同的UBE，基极电流IB减小，曲线右移。当UCE继续增大时，其输入特性曲线与UCE=1V时的输入特性曲线几乎重合。由图可见，三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区。
半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
半导体器件基础要点课件
05 半导体器件应用与展望
半导体器件在电子设备中的应用
集成电路
01
半导体器件是集成电路的基础组成部分，用于实现各种逻辑功
能和电路控制。
数字逻辑门
02
半导体器件可以构成各种数字逻辑门，如与门、或门、非门等
，用于实现数字信号的处理和运算。
微处理器和存储器
03
微处理器和存储器是半导体器件的重要应用领域，用于实现计
详细描述
半导体器件可以分为分立器件和集成电路两大类。分立器件 包括二极管、晶体管等，它们主要用于信号放大、转换和控 制。集成电路是将多个器件集成到一个芯片上，实现更复杂 的功能，如运算、存储和处理等。
半导体器件的发展历程
总结词
半导体器件的发展经历了三个阶段，即晶体管的发明、集成电路的诞生和微电子技术的 飞速发展。
包括热导率、热膨胀系数等参数，影 响半导体的散热性能和可靠性。
光学性能
包括能带隙、光吸收系数、光电导率 等参数，影响半导体的光电转换性能 。
03 半导体器件工作原理
PN结的形成与特性
PN结的形成
在半导体中，通过掺杂形成P型和N型半导体，当P型和N型半导体接触时，由 于多数载流子的扩散作用，在接触面形成一个阻挡层，即PN结。
硅基MEMS器件的特点与优势
高度集成
硅基MEMS器件可以在微米尺 度上实现复杂的功能，具有极
高的集成度。
长寿命
硅基材料具有优异的机械性能 和化学稳定性，使得硅基 MEMS器件具有较长的使用寿 命。
低功耗
硅基MEMS器件的功耗较低， 适用于对能源效率要求较高的 应用场景。
可靠性高
硅基MEMS器件的结构简单， 可靠性高，不易出现故障。
半导体器件基础知识
半导体基础知识一、半导体本础知识（一）半导体自然界的物质按其导电能力区别，可分为导体、半导体、绝缘体三类。
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之前的物质，其电阻率在10-3~109Ω范围内。
用于制作半导体元件的材料通常用硅或锗材料。
（二）半导体的种类在纯净的半导体中掺入特定的微量杂质元素，能使半导体的导电能力大提高。
掺入杂质后的半导体称为杂质半导体。
根据掺杂元素的性质不同，杂质半导体可分为N型和P型半导体。
（三）PN结及其特性1、PN结：PN结是构成半导体二极管、三极管、场效应管和集成电路的基础。
它是由P型半导体和N型半导体相“接触”后在它们交界处附近形成的特殊带电薄层。
2、PN结的单向导电性：当PN结外加正向电压（又叫正向偏置）时，PN结会表现为一个很小的电阻，正向电流会随外加的电压的升高而急速上升。
称这时的PN结处于导通状态。
当PN结外加反向电压（以叫反向偏置）时，PN结会表现为一个很大的电阻，只有极小的漏电流通过且不会随反向电压的增大而增大，这时的电流称为反向饱和电流。
称这时的PN结处于截止状态。
当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。
这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大，可由1伏到几百伏，甚至高达数千伏。
3、频率特性由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。
导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。
二、半导体二极管（一）半导体二极管及其基本特性1、半导体二极管：半导体二极管（简称为二极管）是由一个PN结加上电极引线并封装在玻璃或塑料管壳中而成的。
其中正极（或称为阳极）从P区引出，负极（或称为阴极）从N区引出。
以下是常见的一些二极管的电路符号：普通二极管稳压二极管发光二极管整流桥堆2、二极管的伏安特性二极管的伏安特征如下图所示：二极管的伏安特性曲线（二）二极管的分类二极管有多种分类方法1、按使用的半导体材料分类二极管按其使用的半导体材料可分为锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管、磷化镓二极管等。
半导体器件基础知识
半导体器件基础知识目录一、半导体器件概述 (2)1.1 半导体的定义与特性 (3)1.2 半导体的分类 (3)1.3 半导体的应用领域 (4)二、半导体器件基础理论 (5)2.1 二极管 (6)2.1.1 二极管的分类与结构 (8)2.1.2 二极管的特性与应用 (9)2.2 晶体管 (10)2.2.1 晶体管的分类与结构 (11)2.2.2 晶体管的特性与应用 (13)2.3 集成电路 (15)2.3.1 集成电路的分类与结构 (16)2.3.2 集成电路的特性与应用 (18)三、半导体器件制造工艺 (19)3.1 晶圆制备 (20)3.2 淀积与光刻 (21)3.3 蚀刻与退火 (22)3.4 封装与测试 (23)四、半导体器件设计 (24)4.1 设计流程与方法 (24)4.2 特征尺寸与制程技术 (25)4.3 低功耗设计 (27)4.4 高性能设计与优化 (28)五、半导体器件测试与可靠性 (29)5.1 测试方法与设备 (30)5.2 可靠性评估与提升 (32)5.3 环境与寿命测试 (33)六、新兴半导体器件与发展趋势 (34)6.1 量子点半导体器件 (36)6.2 纳米半导体器件 (37)6.3 光电半导体器件 (38)6.4 三维集成与先进封装技术 (39)一、半导体器件概述半导体器件是现代电子工业中的核心组件，它们在各种电子设备中发挥着至关重要的作用。
半导体器件基于半导体材料，如硅（Si）和锗（Ge），这些材料的导电性介于导体和绝缘体之间。
通过控制半导体器件中掺杂离子的浓度和类型，可以实现其电学特性的精确调整，从而满足不同电子系统的需求。
半导体器件广泛应用于放大器、振荡器、开关、光电器件、传感器等多种功能模块。
集成电路（IC）是半导体器件的一种重要形式，它将成千上万的半导体器件紧密地封装在一个微小的芯片上，形成了一个高度集成化的电子系统。
集成电路在计算机、手机、汽车电子等领域的应用尤为广泛，极大地推动了信息技术的发展。
半导体器件基础
本章将将介绍载流子的定义、性质、相 关术语、载流子分布等
半导体器件
量子化概念
电子的能级是量子化的
n=3 四个电子
n=2 8个电子 +14
H 半导体器件
n=1 2个电子 Si
半导体模型
价键模型
空穴
电子
半导体器件
半导体的能带 价带、导带和带隙〕 半导体的能带 （价带、导带和带隙〕
半导体器件
半导体器件
接近室温时
EF-Ei=kTln(ND/ni)
半导体器件
举例
半导体器件
掺杂半导体
电中性条件：
半导体器件
特殊情况
半导体器件
举例
掺杂浓度分别为(a) 和 硅中的电子和空穴浓度？(b) 再掺杂 10 −3 是多少？( ni = 10 cm ) 的 的Na又
半导体器件
载流子浓度与温度的关系
As
B
N型半导体 型半导体
半导体器件
P型半导体 型半导体
施主能级
受主能级
施主和受主的相互补偿
半导体器件
态密度
根据量子力学，当电子能量为E，且距带边不远时，态 根据量子力学，当电子能量为E 且距带边不远时， 密度为： 密度为：
半导体器件
费米分布函数
在热平衡条件下， 在热平衡条件下，能量为 E的有效状态被电子占据 的几率为
半导体器件
载流子输运
半导体中载流子的输运有三种形式：
漂移 扩散 产生和复合
半导体器件
热运动
晶体中的碰撞和散射引起 净速度为零 平均自由时间为 τ m ~ 0.1 ps
半导体器件
热能和热速度
3 1 2 电子或空穴的平均动能 = kT = meff vth 2 2
第二章半导体基本器件
第二章 半导体基本器件第一节 半导体二极管 一、半导体基本知识1、半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，通称半导体。
如：硅)(i S 、锗)(e G 以及大多数金属氧化物和硫化物等。
纯净半导体具有以下特殊性能：①热敏性——温度升高时，半导体的导电能力明显增强。
因此，可用来制成热敏元件，如：温度传感器、控制电饭煲的热敏元件等。
②光敏性——受光线照射时，半导体的导电能力大为增强。
因此，可用来制成光敏元件，如：发光管、受光管等。
③掺杂性——掺入微量杂质，其导电能力提高几十万乃至几百万倍。
因此可用来制成半导体器件。
2．本征半导体（纯净半导体）由单一元素组成，并具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。
本征半导体在一定温度下，原子最外层的电子受热激发成为“自由电子（-）”，并留下“空穴（+）”。
在外电场作用下，自由电子与空穴向相反方向运动形成电流。
自由电子与空穴通称“载流子”。
半导体受激发成对形成自由电子和空穴的同时，一部分空穴捕获自由电子，称为复合。
常温下激发与复合动态平衡时，载流子较少，导电能力很差。
温度越高，载流子越多，导电能力越强。
3．掺杂半导体（N 型和P 半导体）在本征半导体中掺入微量其它元素，形成两大类杂质半导体。
一类是N 型半导体；另一类是P 型半导体。
（1）N 型半导体在单晶硅)(i S 或单晶锗)(e G 中掺入 少量5 价磷原子。
磷原子的最外层4个 价电子与相邻原子形成共价键；另一个 价电子受原子束缚很小，很容易激发成 自由电子。
N 型半导体在这种杂质半导体中，多数载流子为自由电子（-），少数载流子为空穴（+），故称为电子型半导体或称N 型半导体。
自由电子导电是N 型半导体的主要导电形式。
（2）P 型半导体在单晶硅)(i S 或单晶锗)(e G 中掺入 少量3 价硼原子。
硼原子的最外层3个 价电子与相邻原子形成共价键；缺一个 价电子形成空穴（+）。
在这种杂质半导 体中，多数载流子为空穴（+），少数载 流子为自由电子（-），故称为空穴型半 导体或称P 型半导体。
半导体器件基础
IC IB
集电极与基极电流的关系为：
IE
IC
IB
共射电流放大倍数
β的值远大于1，通常在20~200范围内，只与管子的结 构有关，与外加电压无关。
放大是最基本的模拟信号处理功能
放大——是指把微小的、微弱的电信号不失 真的进行放大，实现能量的控制和转换。
不失真——就是一个微弱的电信号通过放大器 后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它 随时间变化的规律不能变。
内电场 E
EW
R
综上所述
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通（相 当开关闭合）；
PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止（相 当开关断开）。
由此可以得出结论：PN结具有单向导电性（开关特性）。
小结 1．半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。半导体具有热敏、光敏、杂敏等特性。 常用的半导体材料是硅和锗，并被制作成晶体。
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
－ － －－ ++ + +
内电场 E
EW
R
加反向电压(反偏)——N区接电源正极， P区接电源负极，则电源产生的外电场与PN结的内电场 方向相同，增强了内电场，PN结变宽，表现为很大的电阻，有较小的反向电流（少数载流子形成 的漂移电流），PN结处于反向截止状态。
2、半导体导电时有两种载流子（自由电子和空穴）参与形成电流。在纯净的半导体中掺入 不同的微量杂质，可以得到N型半导体（电子型）和P型半导体（空穴型）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
O
u(V)
45
第三节 半导体二极管
i(mA)
UOn
O 死区
u(V)
开启电压: 硅0.5 导通电压: 硅0.6-0.8 锗0.1 锗0.1-0.3 （一）正向特性 导通电压>死区电压,方能正常导通 导通电压: 硅0.6-0.8V 锗0.1-0.3V
46
反向击穿电压
i(mA)
第三节 半导体二极管
导通电压: 硅0.6-0.8 锗0.1-0.3 UOn
导通——视为短路
截止——视为开路 i
S
二极管开关模型
O
u
理想 化模型
55
第三节 半导体二极管
2.恒压降模型
i
导通——UOn
截止——开路
O UOn u UOn
理想 化模型 UOn: 硅管取0.7V 锗管取0.2V
56
第三节 半导体二极管
[例1-3-1]分别用二极管理想模型和恒压降模型
求出 IO 和 UO 的值。
价电子
+ 14
4价元素（硅、 硅原子结构 锗）
+4
简化模型
8
第一节 半导体基础知识
共价键结构
4
4
4
晶体结构——
4
4 4 纯净半导体原子排列整齐
共价键结构 ——两个相邻原子共有一对 价电子,价电子受相邻原子核的束缚,处 于相对稳定状态。
第一节 半导体基础知识
共价键结构
本征激发
4
4
4
4
4
4
本征激发——价电子受热或光照后，挣脱 束缚成为自由电子。常温下仅极少数。
与外电场方向相反 产生电流 成对出现 空穴流 价电子递补空穴形成的
与外电场方向相同
22
一、PN结的形成 二、PN结的光电效应与电致 发光
三、PN结的结电容
第二节 PN结
观看多媒体动画教学片 《半导体器件》之一 半导体基础知识
1 链接动画片 1
24
第二节 PN结
一、PN结的形成
空穴 负离子 正离子 电子
PN结: P区和N区交界面处形成的区域。
名称
空间电荷区: 区内只剩离子,带电。 耗尽层: 区内载流子少。
28
第二节 PN结
二、PN结的单向导电性
1.外加正向电压（P区接+）：导通, I大。 2.外加反向电压（N区接-）：截止，I反很小。 内电场
N
P
P N结
29
外加正向电压
PN结
第二节 PN结
ID
第一节 半导体基础知识
共价键结构
电 场
4
4
空穴流
4
4
电子递补
4
4
空穴流——电场作用下，电子依次递补空穴 的运动。
第一节 半导体基础知识
共价键结构
电 场
4
4
空穴流
4
4
电子流
半导体电流 = 电子流 + 空穴流
4
4
第一节 半导体基础知识
三、N型半导体和P型半导体
杂质半导体——在本征半导体中掺入适量 的杂质元素(非半导体元素)。 N型半导体——掺入5价元素
当外加电压变化时，PN结电流变化有一个过 渡过程。
势垒电容CT：空间电荷区电荷量随之变化， 犹如电容充放电。
扩散电容CD:多子扩散到PN结的另一侧堆积的 浓度梯度分布随之变化，也犹如电容充放电。
34
第二节 PN结
五、PN结的反向击穿
U反大到一定值时
1.产生原因 ①电击穿（可逆的）:
I反
击穿电压 < 6 V
I反
O
UD2UD1 u(V)
49
二极管缺点:容易受温度影响
四、二极管等效电阻
第三节 半导体二极管
线性电阻——电阻两端的电压与通过的电 流成正比，线性电阻值为一常数。 I
O
I
U
O
U
线性电阻的 伏安特性
半导体二极管的 伏安特性
50
非线性电阻——电阻两端的电压与通过的电 流不成正比，非线性电阻值不是常数。
4
4
N型半导体示意图
第一节 半导体基础知识
P型半导体
多一个 空穴
4
掺杂
3 +3
4
4
4
4
第一节 半导体基础知识
本征激发
P型半导体
4
掺杂
3 +3
4
负离子
空穴
4
多子-------空穴 少子-------电子
4
4
P型半导体示意图
第一节 半导体基础知识
1. 本征半导体中 两种载流子
自由电子 空穴
2. 在外电场的作用下 电子流 自由电子作定向运动形成的
第三节 半导体二极管
半导体二极管（三极管）又称晶体管二极管 （三极管）
一、基本结构
PN结
阳极
P
N
阴极
+
-
符号
41
第三节 半导体二极管
分类：
硅二极管
按材料分
锗二极管
按结构分
点接触型 面接触型 平面型
42
第三节 半导体二极管
N型锗片
阴极引线
点接触型
外壳 铝合金 小球 金锑合 金
N型硅
底座
PN结
二氧化硅保 护层 N型硅
半导体基础知识
链接动画片1
6
第一节 半导体基础知识
半导体：导电性介于导体和绝缘体之间，具有 晶体结构。
常用半导体：锗、硅、砷化镓等。
一、半导体特点
1.热敏特性：Ta 2.光敏特性：光照
3.掺杂特性：掺入微量元素
独特的导电特性
导电能力
导电能力
导电能力
7
第一节 半导体基础知识
二、本征半导体
纯净的具有晶体结构的半导体。
UT≈26mV
O 死区
u(V)
导通电压: 硅0.6-0.8 锗0.1-0.3
48
开启电压: 硅0.5 锗0.1
（三）温度特性
第三节 半导体二极管
温度Ta ↑→正向电压UD ↓(Ta 每升高10C ， UD 减少2~2.5mV) 温度Ta ↑→ 反向饱和电流IS↑(Ta 每增加 100C ， IS增加一倍) i(mA) 80 c 20 c
Muitisim 2001
EWB5.12
2
第一节 半导体基础知识
第二节 PN结
第三节 半导体二极管 第四节 双极型晶体管
第四节 场效应晶体管
第五节 集成化元器件 第六节 半导体光电器件
一、本征半导体 二、半导体的导电特性 三、 P N结
第一节 半导体基础知识
观看多媒体动画教学片 《半导体器件》之一
+ UD V 6V IO
解:
1.理想模型
UO = V = 6 V IO = V / R = 6 / 6 = 1 (mA)
+
R UO 6KΩ
-
2.恒压降模型
UO = V – UD = 6 0.7 = 5.3 (V) IO = UO / R = 5.3 / 6 = 0.88 (mA)
V UD IO R
多子扩 散运动
第二节 PN结
少子漂 移运动
P区
内电场
N区
浓度差→多子扩散运动→复合→产生内电场→阻碍 动态平衡——扩散电流=漂移电流，PN结 多子扩散→有利少子漂移运动→扩散运动和漂移运 内总电流=0。 动达到动态平衡→形成一定宽度PN结
27
第二节 PN结
内电场
电位差约为 零点几伏
N
P
P N结 宽度为几微 米~到几十 微米
UBR
IR
O
u(V)
53
反向饱和电流
第三节 半导体二极管
4. 最高工作频率fM
外加交流电源时，当 频率高时，容抗小，对 PN结旁通，单向导电性 被破坏。
C
P +
–
N
ui
–
R
+
54
六、二极管的模型
第三节 半导体二极管
对二极管进行电路模拟，用若干元件代替实际 二极管。 将二极管的特性线性化处理,按线性电路方法 分析。 1.理想化开关模型
第一节 半导体基础知识
共价键结构
本征激发
4
4
4
4
4
4
第一节 半导体基础知识
共价键结构本征激发Fra bibliotek4空穴
4
4
自由 电子
4
4
4
第一节 半导体基础知识
共价键结构
本征激发
4
空穴
4
4
自由 电子
4
电子 两种载流子 ： 空穴
4
成对出现
4
第一节 半导体基础知识
共价键结构 电 场
4
4
4
自由 电子
4
4 电子流
4
电子流——电场作用下，自由电子的定向移动。
O u(V) 死区 开启电压: 硅0.5
UBR
IS 反向 饱和电流 （二）反向特性
锗0.1
1.U反较小时:I反很小,称为反向饱和电流 2.反向击穿现象:
U反大到一定值时
I反
47
归纳
反向击穿电压 i(mA)
第三节 半导体二极管
电流方程
iD I S (e
UOn
uD UT
1)
UBR IS 反向 饱和电流
主讲
孟 秀 玲
EDA实验库使用说明
本课件嵌入电子自动化设计EDA实验库 (Muitisim 2001或EWB5.12)，用于对电路进行 仿真实验。 安装方法：插入EDA光盘，安装程序后，将图形 月牙(或苹果)超级链接到C盘的Muitisim exe或 WEWB32.exe, 将EDA实验库置于根目录下， 便于查找。 操作方法：课件在放映状态下，单击月牙尖(或 苹果) ，进入EDA软件，按“打开”选项，在 根目录下，找到EDA实验库，再寻找对应的实 验项目。 6