1-1半导体的基础知识
半导体基本知识一、本征半导体和导电特性
(2) 截止区
IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。(ICEO<0.001mA)
IC/mA 4
3 2.3 2 1.5 1
O3
100 µA 80µA 60 µA
截止时, 两结都处于反 向偏置,此时 IC 0, UCE UCC 。
40 µA
20 µA
IB =0
6
9 12UCE/V
截止区
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• 二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、 隔离、 开关、元件保护等。
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五、稳压二极管 I
_+
UZ
使用时要加限流电阻
O
U
稳压管正常工作 时加反向电压
IZ
IZ
UZ
IZM
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主要参数
1 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。
O
IB f (U ) BE UCE常数
UCE≥1V
正常工作时发射结电压： NPN型硅管
UBE 0.6 ~ 0.7V PNP型锗管
UBE 0.2 ~ 0.3V
0.4 0.8 UBE/V
死区电压： 硅管0.5V， 锗管0.1V。
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2.输出特性 IC f (UCE ) IB 常数
• 管子工作状态的判断 • P20 习题1-9
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1.4 光电器件
1.4. 1 发光二极管(LED) 当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电
流时，就能发出一定波长范围的光。 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，
半导体的基本 知识
们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、 墟泊、陶瓷等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、 银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单地把介于导和绝缘体之间 的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚 的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存 在才真正被学术界认可。 • 半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪 最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情 况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的
• 半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大 类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括l一V族化合物 (砷化嫁、磷化嫁等),II一VI族化合物(硫化福、硫化锌等)、氧化物(锰、 铬合物组成的 固溶体(嫁铝砷、嫁砷磷等)。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻 璃半导体、有机半导体等。
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第一节 半导体的基本知识
• 三、杂质半导体 • 半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形
成杂质半导体，一般可分为N型半导体和P型半导体。半导体中掺入 微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状 态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施 主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。例 如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂 质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅) 原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢 浅能级一施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带 激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此 对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电 子，属电子导电型，称为N型半导体。
半导体基础知识(1)
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10-3～109Ω·cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓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.本征半导体本征半导体——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，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。
共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。
如下图所示：硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图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.电子与空穴本征激发电子与空穴的产生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。
第1章 半导体物理基础
EC EF 令：n N C exp kT
则：
EF EV p NV exp kT
EC EV kT NV EF Ei ln( ) 2 2 NC
在室温下，第二项比禁带宽度小得多。因此，本征半导体的 本征费米能级Ei相当靠近禁带的中央。
图1.4.2 费密能级与 杂质浓度、导电类型 和环境温度的关系
平衡载流子浓度的计算
对非简并半导体
N型半导体： n0 多子：电子
完全电离：
P型半导体： p0 多子：空穴 > n0
> p0
少子：空穴
少子：电子
一般情况 ND≈1015 - 1020cm-3
一般情况 NA≈1015 - 1020cm-3
n0 N D ? ni n0 ? p0 2 n0 p0 ni
施主。由于带负电载流子增加，硅变成n型。
1.3.2
P型半导体
受主和受主能级
受主杂质：在半导体中提供空穴的杂质
• 对于Si而言掺入的受主杂质一般为III族元素，如 B、Ga • NA ≡ 受主杂质浓度 [cm-3] • 一般情况下
NA >> ni
(NA： 1015 - 1020
cm-3 )
• 常温下 受主杂质完全电离
空导带
Eg = 9 eV
填满的价带
半导体：
半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间，且易受温 度、光照、磁场及微量杂质原子的影响，其禁带宽度较小(约 为1eV)，如图所示。 在 T ＝0K时，所有电子都位于价 带，而导带中并无电子，因此半导 体在低温时是不良导体。在室温及 正常气压下，硅的 Eg 值为 1.12eV ， 而砷化镓为 1.42eV 。因此在室温下 ，热能 kT 占 Eg 的一定比例，有些电 子可以从价带激发到导带。因为导 带中有许多未被占据的能态，故只 要小的外加能量，就可以轻易移动 这些电子，产生可观的电流。
第一章 半导体器件知识
第一章《半导体器件的基础知识》一、填空：1、半导体的导电能力随着（掺入杂质）、（光照）、（温度）和（输入电压和电流的改变）条件的不同而发生很大的变化，其中，提高半导体导电能力最有效的办法是（掺入杂质）。
2、（纯净的半导体）叫本征半导体。
3、半导体可分为（P ）型半导体和（N ）型半导体，前者( 空穴)是多子，（电子）是少子。
4、PN结加（正向电压）时导通，加（反向电压）时截止，这种特性称为（单向导电）性。
5、PN结的反向击穿可分为（电）击穿和（热）击穿，当发生（热）击穿时，反向电压撤除后，PN结不能恢复单向导电性。
6、由于管芯结构的不同，二极管可分为（点）接触型、（面）接触型、（平面）接触型三种，其中（点）接触型的二极管PN结面积（小），适宜半导体在高频检波电路和开关电路，也可以作小电流整流，面接触型和平面型二极管PN结接触面（大），载流量（大），适于在（大电流）电路中使用。
7、二极管的两个主要参数是（最大整流电流）和（最高反向电压）使用时不能超过，否则会损坏二极管。
8、在一定的范围内，反向漏电流与反加的反向电压（无关），但随着温度的上升而（上升），反向饱和电流越大，管子的性能就越（差）。
9、硅二极管的死区电压为（0、5）V，锗二极管的死区电压为（0、2）V。
10、三极管起放大作用的外部条件（发射结正偏）和（集电结反偏）11、晶体三极管具有电流放大作用的实质是利用（基极）电流实现对（集电极）电流的控制。
12、3DG8D表示（NPN型硅材料高频小功率三极管）；3AX31E表示（PNP型锗材料低频小功率三极管）。
13、三极管的恒流特性表现在（放大）区，在饱和区，三极管失去（放大）作用，集电结、发射结均（正）偏。
14 集---射击穿电压V（BR）CEO是指（基极开路）时集电极和发射极间所承受的最大反向电压，使用时，集电极电源电压应（＞）这个数值。
15三极管的三种基本联结方式可分为（共基极电路），（共集电极电路）和（共发射极电路）。
第1章半导体基础知识
第1章半导体基础知识
§1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
第1章半导体基础知识
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
漂移运动
因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。
第1章半导体基础知识
PN 结的单向导电性
空间电荷区也称耗尽层
必要吗？
PN结加正向电压Βιβλιοθήκη 通：PN结加反向电压截止：
耗尽层变窄，扩散运动加 耗尽层变宽，阻止扩散运动，
剧，由于外电源的作用，形 有利于漂移运动，形成漂移电
频率高。
频率低。
流大。
第1章半导体基础知识
二、二极管的伏安特性及电压电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性：i f (u)
U D
击穿
iDIS(eU T1) (常温 U T下 2m 6 V电)压
反向饱 开启 和电流 电压
UT =kT/q 称为温度的电压当量
材料 开启电压 导通电压 反向饱和电流
多数载流子
杂质半导体主要靠多数载流
5
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。
磷（P）
第1章半导体基础知识
2. P型半导体
3
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
第1章常用半导体器件
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、
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体， 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 导体 一般都是导体。 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体 绝缘体， 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 陶瓷、塑料和石英。 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体： 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 半导体， 体之间，称为半导体 如锗、 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。 和一些硫化物、氧化物等。
二、P 型半导体
杂质元素， 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 铟等， 型半导体。 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。
+4 +4 +4
3 价杂质原子称为 受主原子。 受主原子。 空穴浓度多于电子 浓度， 浓度，即 p >> n。空穴 。 为多数载流子， 为多数载流子 ， 电子为 少数载流子。 少数载流子。
五、PN结的电容效应 结的电容效应
上的电压发生变化时， 当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 上的电压发生变化时 将随之发生变化， 结具有电容效应。 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。 结具有电容效应 势垒电容 电容效应包括两部分 扩散电容 1. 势垒电容 b 势垒电容C 结的空间电荷区变化形成的。 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
公式推导过程略
四、PN结的伏安特性 结的伏安特性
i = f (u )之间的关系曲线。 之间的关系曲线。
i/ mA
60 40 20 –50 –25 0 0.5 1.0 u / V – 0.002
正向特性
第一章半导体基础知识
第一章半导体基础知识〖本章主要内容〗本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。
其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。
然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。
〖本章学时分配〗本章分为4讲，每讲2学时。
第一讲常用半导体器件一、主要内容1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。
半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9Ω∙cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。
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”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。
在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K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）。
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。
在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。
4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。
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1.1.3 PN 结 一、PN 结(PN Junction)的形成 1. 载流子的浓度差引起多子的扩散
内建电场 2. 复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层) 空间电荷区特点: 无载流子， 阻止扩散进行，利于少子的漂移。 3. 扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流 等于漂移电流，总电流 I = 0。
二、PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压(正向偏置) — forward bias IF
重点与难点 重点与难点 重点： PN结的特性； 重点： PN结的特性； 难点： PN结的形成。 难点： PN结的形成。
了解本门课程的基本内容；
1.1.1 本征半导体
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 本征半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。 载流子 — 自由运动的带电粒子。 共价键 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。
P区
外电场
N区
内电场
扩散运动加强形成正向电流 外电场使多子向 PN 结移动I ,F。 中和部分离子使空间电荷区变窄。 I =I I I
F 多子 少子 多子
+
U
R
限流电阻
2. 外加反向电压(反向偏置) — reverse bias IR
P区 N区
漂移运动加强形成反向电流 IR
U R PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。
内电场 外电场
+
IR = I少子 0
小 结
一、两种半导体和两种载流子
两种载流 子的运动 电子 — 自由电子 空穴 — 价电子 两 种 N 型 (多电子) 半导体 P 型 (多空穴)
二、PN结 特性 — 单向导电
正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。
思考、讨论题： 1.1.1 1.1.3
第1章
半导体二极管
1.1 半导体的基础知 识
1.1.1 本征半导体
1.1.2 杂质半导体
1.1.3 PN 结
授课主要内容 本征半导体和杂质半导体 本征半导体和杂质半导体 PN结的形成 PN结的形成
目的和要求
授课主要内容
目的和要求 了解模拟电路的特点及应用、分类及学习方法； 了解本征半导体和杂质半导体； 了解本征半导体和杂质半导体； 掌握 PN结的特性。 掌握 PN结的特性。
3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
1.1.2 杂质半导体 一、N 型半导体和 P 型半导体
N型 +4 +4 +4 +4 P型 +4 +4
+4 磷原子
+5
+4 自由电子
+4 硼原子
+3
+4 空穴
电子为多数载流子 空穴为少数载流子 载流子数 电子数
空穴 — 多子 电子 — 少子 受主 施主 原子 离子 载流子数 空穴数 离子 原子
复
合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合 成对消失的过程。
漂
移： 自由电子和空穴在电场作用下的定向运
动。
两种载流子 电子(自由电子) 空穴 结论：
两种载流子的运动 自由电子(在共价键以外)的运动 空穴(在共价键以内)的运动
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；
硅(锗)的原子结构 Si 2 8 4 简化 模型 硅(锗)的共价键结构 +4 +4
Ge 2 8 18 4
+4 价电子
自 由 空 电 穴 子
(束缚电子)
+4 空穴
+4 空穴可在共 价键内移动
惯性核
本征激发： 在室温或光照下价电子获得足够能量摆 脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键 中留下一个空位(空穴)的过程。