半导体器件基本结构
半导体器件物理(详尽版)ppt
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
图中“● ”表示价带内的电子 ;图中“○ ”表示价带内的空穴。
思考
• 既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导 电能力比导体差？
●导带底EC
导带电子的最低能量
●价带顶EV
价带电子的最高能量
●禁带宽度 Eg
Eg=Ec-Ev
●本征激发 由于温度，价键上的电子 激发成为准自由电子，亦 即价带电子激发成为导带 电子的过程 。
●价带
由价电子形成的能带，但半导体 材料价电子形成的低能级能带通 常称为价带。
●禁带宽度/Eg
导带和价带之间的能级宽度，
单位是能量单位：eV（电子伏特）
图1-6
导体、绝缘体、半导体的能带示意图
3~6eV
禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
pn结电流方向
pn结电流方向PN结是半导体器件中最基本的元件之一，也是现代电子技术中最为重要的器件之一。
PN结的正向电流和反向电流是PN结的两个基本特性，本文将详细介绍PN结的电流方向及其相关知识。
一、PN结的基本结构与特性PN结是由n型半导体和p型半导体组成的结构，其中，n型半导体中的电子浓度高于空穴浓度，p型半导体中的空穴浓度高于电子浓度。
当n型半导体与p型半导体相接触时，由于电子和空穴的扩散作用，会在接触面上形成一个极薄的耗尽层，即PN结。
PN结具有正向电流和反向电流两种基本特性。
正向电流是指在PN结两端加正电压时，电子从n型半导体向p型半导体移动，同时空穴从p型半导体向n型半导体移动，形成一个电流，即正向电流。
反向电流是指在PN结两端加负电压时，电子从p型半导体向n型半导体移动，同时空穴从n型半导体向p型半导体移动，形成一个电流，即反向电流。
二、PN结正向电流的方向PN结的正向电流方向是从p区向n区流动。
当PN结两端加正电压时，p区的正电荷向PN结中心移动，同时n区的负电荷也向PN结中心移动，这样就会形成一个电场，使得电子和空穴向PN结中心移动，形成正向电流。
在PN结正向电流的过程中，电子从n型半导体向p型半导体移动，空穴从p型半导体向n型半导体移动，这样就会形成一个电流，即正向电流。
正向电流的方向是从p型半导体向n型半导体流动。
三、PN结反向电流的方向PN结的反向电流方向是从n区向p区流动。
当PN结两端加负电压时，n区的负电荷向PN结中心移动，同时p区的正电荷也向PN结中心移动，这样就会形成一个电场，使得电子和空穴向PN结两端移动，形成反向电流。
在PN结反向电流的过程中，电子从p型半导体向n型半导体移动，空穴从n型半导体向p型半导体移动，这样就会形成一个电流，即反向电流。
反向电流的方向是从n型半导体向p型半导体流动。
四、PN结正向电流和反向电流的特性PN结的正向电流和反向电流具有不同的特性。
1、正向电流的特性在PN结正向电流的情况下，当正向电压逐渐增大时，电流也会逐渐增大，直到达到一定的电压，电流会急剧增大，这个电压称为正向开启电压。
半导体知识点总结大全
半导体知识点总结大全引言半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能阻止电流的材料。
它是电子学领域中最重要的材料之一，广泛应用于集成电路、光电器件、太阳能电池等领域。
本文将对半导体的知识点进行总结，包括半导体基本概念、半导体的电子结构、PN结、MOS场效应管、半导体器件制造工艺等内容。
一、半导体的基本概念（一）电子结构1. 原子结构：半导体中的原子是由原子核和围绕原子核轨道上的电子组成。
原子核带正电荷，电子带负电荷，原子核中的质子数等于电子数。
2. 能带：在固体中，原子之间的电子形成了能带。
能带在能量上是连续的，但在实际情况下，会出现填满的能带和空的能带。
3. 半导体中的能带：半导体材料中，能带又分为价带和导带。
价带中的电子是成对出现的，导带中的电子可以自由运动。
（二）本征半导体和杂质半导体1. 本征半导体：在原子晶格中，半导体中的电子是在能带中的，且不受任何杂质的干扰。
典型的本征半导体有硅（Si）和锗（Ge）。
2. 杂质半导体：在本征半导体中加入少量杂质，形成掺杂，会产生额外的电子或空穴，使得半导体的导电性质发生变化。
常见的杂质有磷（P）、硼（B）等。
（三）半导体的导电性质1. P型半导体：当半导体中掺入三价元素（如硼），形成P型半导体。
P型半导体中导电的主要载流子是空穴。
2. N型半导体：当半导体中掺入五价元素（如磷），形成N型半导体。
N型半导体中导电的主要载流子是自由电子。
3. 载流子浓度：半导体中的载流子浓度与掺杂浓度有很大的关系，载流子浓度的大小决定了半导体的电导率。
4. 质量作用：半导体中载流子的浓度受温度的影响，其浓度与温度成指数关系。
二、半导体器件（一）PN结1. PN结的形成：PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散结合形成的。
2. PN结的电子结构：PN结中的电子从N区扩散到P区，而空穴从P区扩散到N区，当N区和P区中的载流子相遇时相互复合。
3. PN结的特性：PN结具有整流作用，即在正向偏置时具有低电阻，反向偏置时具有高电阻。
半导体物理与器件的基本原理解析
半导体物理与器件的基本原理解析半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能绝缘的物质，因其在电子学领域的广泛应用而备受关注。
本文将对半导体物理及器件的基本原理进行解析，为读者提供更全面的了解。
一、半导体物理基础1. 原子结构半导体是由原子构成的，涉及到原子的结构和性质非常重要。
原子包含了原子核和绕核运动的电子。
每个原子都有自己的特定电子结构和能级分布。
2. 能带理论能带理论是解释电子在固体中运动的模型。
根据能带理论，固体的电子能级可以分为多个能带，其中最高填充的被称为价带，最低未被填充的被称为导带。
价带与导带之间的能量间隙称为禁带宽度。
3. 共价键与禁带在半导体中，原子通过共价键形成晶体。
共价键是由原子之间的电子互相共享形成的。
晶体中的共价键形成了价带，而禁带宽度是导带和价带之间的能隙。
二、半导体器件原理解析1. P-N 结P-N 结是最基本也是最重要的半导体器件。
它由一片N型半导体和一片P型半导体组成。
在P-N 结中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生重组，产生了一个空穴-电子对。
这种特殊的结构和电子重组现象使得P-N 结具有二极管特性。
2. 二极管二极管是一种基本半导体器件，它由P-N 结组成。
二极管具有一个P型区域和一个N型区域，其中P型区域为阳极，N型区域为阴极。
正向偏置时，电流可以流过二极管；反向偏置时，电流无法通过二极管。
3. 晶体管晶体管是一种用来放大和开关电信号的半导体器件。
它由三个区域构成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
晶体管的工作原理是通过外加电压控制基区的电流，从而控制集电极和发射极之间的电流流动。
4. MOSFETMOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大和开关电信号。
MOSFET由金属栅极、绝缘层和半导体通道构成。
通过改变栅极电压，可以控制通道中的电流。
5. 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的设备。
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
精选课件
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1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
精选课件
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1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
精选课件
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1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
精选课件
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1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
精选课件
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1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体器件基础
半导体二极管，也叫晶体二极管。它由一个PN结构成，具有单向导电性，是整流电路的核心器件。
几种常见二极管的外形
二极管的结构及电路符号 二极管 = PN结 + 管壳 + 引线
二极管的特性——单向导电性
二极管在电路中受外加电压控制共有两种工作状态： 正向导通和反向截止。 正向导通特性： 正向电压达到一定程度（硅二极管为0.6V,锗二极管为0.2V）， 二极管导通，正向电流增加很快，导通时正向电压有一个很小的变化，就会引起正向电流很大的变化，两引脚之间的电阻很小，相当于开关接通。
小结
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。 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）。 P型半导体和N型半导体相连接在结合处形成PN结，PN结的基本特性是具有单向导电性。
多数载流子——自由电子 少数载流子——空穴
N型半导体主要是电子导电。
N型半导体和P型半导体
P型半导体 【Positive空穴】
1
在锗或硅晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼；这样在晶体中有了多余的空穴。
2
空穴
3
硼原子
4
硅原子
5
多数载流子——空穴 少数载流子——自由电子
6
P型半导体主要是空穴导电。
7
PN结及其增大，PN结被电击穿，失去单向导电性。如果没有适当的限流措施，PN结会被热烧毁。
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）。
晶体管pn结
PN结：晶体管中的基本元件及其工作原理晶体管是一种常用的半导体器件，其基本结构和工作原理都与PN结有着密切的关系。
下面将对PN结的基本概念、特性以及在晶体管中的应用进行详细的介绍。
一、PN结的基本概念在半导体材料中，P型和N型半导体是通过不同的掺杂剂掺入硅或锗材料中得到的。
P型半导体是指掺入3价元素（如硼、镓等），其空穴浓度高于背景半导体，而N型半导体则是指掺入5价元素（如磷、砷等），其电子浓度高于背景半导体。
PN结是指将P型半导体和N型半导体通过一定的方式连接起来形成的界面。
二、PN结的特性.平衡状态：在没有外加电压的情况下，PN结的内部电场和载流子分布处于平衡状态。
此时，载流子的扩散和漂移速率相等，界面处没有净电荷积累。
.正向偏置：当外加电压使得P型端的电位高于N型端的电位时，称为正向偏置。
此时，载流子将从P型侧向N型侧扩散，导致N型侧的电子浓度增加，P型侧的空穴浓度增加。
随着外加电压的增加，扩散电流将逐渐增加，直至达到动态平衡状态。
.反向偏置：当外加电压使得N型端的电位高于P型端的电位时，称为反向偏置。
此时，载流子将从N型侧向P型侧漂移，导致P型侧的空穴浓度增加，N型侧的电子浓度增加。
随着外加电压的增加，漂移电流将逐渐增加，直至达到动态平衡状态。
.击穿：当外加电压超过一定限度时，PN结内部的电场将变得很强，导致载流子加速运动并产生大量的热能，最终导致PN结烧毁或损坏。
三、PN结在晶体管中的应用晶体管的基本结构是由两个PN结组成的。
以NPN晶体管为例，其结构如下：.发射区（Emitter）：位于晶体管的顶部，是高掺杂的N型半导体。
载流子在此区域产生并注入到基区。
.基区（Base）：位于发射区和集电区之间，是低掺杂的P型半导体。
这个区域的作用是控制电流并引导载流子从发射区流向集电区。
.集电区（Collector）：位于晶体管的底部，是高掺杂的N型半导体。
载流子在此区域被收集，并通过电极与外部电路连接。
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课题4.1 半导体器件基本结构
4.2晶体二极管
教学目标【知识目标】掌握PN结单向导体的原理
【能力目标】1.懂得什么是半导体
2.理解PN结的单向导电性
3.掌握半导体的分类
4.懂得半导体的主要参数【德育目标】培养学生的抽象理解能力
教
学重点半导体的主要参数
教
学
难
点
PN结单向导体的原理
教
学时间2课时（第11周）
教
具
准
备
半导体、电阻、电流表
教学组织与实施
教师活动学生活动
【新课导入】
提问1：
【新课讲授】
1.导体绝缘体和半导体
各种物体对电流的通过有着不同的阻碍能力，这种不同的物体允许电流通过的能力叫做物体的导电性能。
通常把电阻系数小的（电阻系数的范围约在0.01~1欧毫米/米）、导电性能好的物体叫做导体。
例如：银、铜、铝是良导体。
含有杂质的水、人体、潮湿的树木、钢筋混凝土电杆、墙壁、大地等，也是导体，但不是良导体。
电阻系数很大的（电阻系数的范围约为10~10欧姆·毫米/米）、导电性能很差的物体叫做绝缘体。
例如：陶瓷、云母、玻璃、橡胶、塑料、电木、纸、棉纱、树脂等物体，以及干燥的木材等都是绝缘体（也叫电介质）。
举例说明哪些是导体哪些是绝缘体哪些是半导体
导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫做半导体。
例如：硅、锗、硒、氧化铜等都是半导体。
半导体在电子技术领域应用越来越广泛。
2.PN结
PN结（PN junction）。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；
N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
3.PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN 结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。
如果外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；
PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。
(1) PN结加正向电压时的导电情况
外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。
于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。
扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。
(2)PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
分清楚P型半导体和N型半导体
4.晶体二极管的结构和分类
它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。
晶体二极管按基片材料分可锗二极管和硅二极管。
前者允许工作温度低，一般做成小中功率二极管。
后者允许工作温度高，可做成中大功率二极管。
按结构可分为点接触和面接触两类。
点接触二极管由于PN结接触面积小，不能通过很大的正向电流和承受很高的反向工作电压，但工作频率高，常用来作为检波器件。
而面接触二极管的PN 结面积大，能允许通过较大的电流，可用作整流器件。
按用途可分为检波二极管、整流二极管和稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管和开关二极管。
5.晶体二极管的主要参数
（1）额定正向工作电流
指二极管长期连续工作时所允许通过的最大正向电流值。
因为电流通过二极管时会导致管芯发热，温度上升，当温度超过容许限度时（硅管为140t左右，锗管为90℃左右），就会使管芯过热而损坏。
所以，二极管在使用中不能超过二极管额定正向工作电流值。
（2）最高反向工作电压
加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将二极管击穿，失去单向导电能力。
为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值（简称耐压）。
明白二极管分类的依据和二极管的种类
理解二极管的主要参数
【课堂小结】
今天我们学习了半导体器件的基本结构和晶体二极管。
电阻系数小的叫做导体，电阻系数大的叫做绝缘体，介于导
体和绝缘体之间的叫做半导体。
半导体分为P型半导体和N型半导
体。
半导体具有单向导电性。
另外我们学习的晶体二极管的分类，
按结构可分为点接触和面接触两类，按基片材料分可锗二极管和
硅二极管，按用途可分为检波二极管、整流二极管和稳压二极管、
发光二极管、光电二极管、变容二极管和开关二极管。
晶体二极
管的主要参数有额定正向工作电流和最高反向工作电压。
【布置作业】课后习题100页第一题
板书设计教学随笔
1.导体绝缘体和半导体
电阻系数小的叫做导体，电阻系数大的叫做绝缘体，介于导体和
绝缘体之间的叫做半导体。
2.PN结
PN结（PN junction）。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，
将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）
基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单
向导电性。
3.PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈
低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。
4.晶体二极管的结构和分类
按结构可分为点接触和面接触两类，按基片材料分可锗二极管和
硅二极管，按用途可分为检波二极管、整流二极管和稳压二极管、
发光二极管、光电二极管、变容二极管和开关二极管
5.晶体二极管的主要参数
晶体二极管的主要参数有额定正向工作电流和最高反向工作电
压。