第一章半导体元件及其特性
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
第一章半导体器件的特性讲解
主要内容及要求
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管（BJT） 1.5 场效应管（FET）
基础，必须掌握： 基本概念，原理， 特征曲线、参数， 应用等。
了解原理，掌握特 征曲线、参数。
1.1 半导体的导电特性
半导体材料：
物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分 导体、绝缘体和半导体。 －4 导 体：ρ<10 Ω·cm 9 绝缘体：ρ>10 Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有 化合物半导体砷化镓GaAs等。
1.5 场效应管
二、工作原理
VDS=0时， VGS 对沟道的控制作用
当VGS＜0时， PN结反偏，| VGS | 耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续 减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时， 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。 若在漏源极间加上适当电压，沟道中有 电流ID流过。 VGS＝0时，ID较大； VGS＝VGS(off)时，ID近似为零， 这时管子截止。
1.5 场效应管
特点：
利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体 中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高 （107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功 耗小。
分类：
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图
N沟道管符号
P沟道管符号
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型
要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
第1章常用半导体器件
ui=0时直流电源作用
根据电流方程，rd
uD iD
UT ID
小信号作用
Q越高，rd越小。 静态电流
3. 二极管电路应用举例
（1）开关电路（掌握）
方法：假设法，将D管断开 原则一：单向导电性
阳极 a
k 阴极
D
V阳>V阴，D管正偏，导通 V阳< V阴，D管反偏，截止
原则二：优先导通原则（多二极管电路中）
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。
2
98 0.98
100
综上所述，实现晶体三极管放大作用的 两个条件是：
（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度，且基区很薄。
（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反 向偏置。
正偏电压工作，通电流→发光，电信号→光信号 光颜色：红、橙、黄、绿（与材料磷、砷、镓、化有关）
3. 激光二极管
（a）物理结构 （b）符号
发光二极管
光电二极管
一、晶体管的结构及类型 二、晶体管的电流放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数
三极管：电流放大（三个电极）
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
华大半导体181页PPT基础知识培训——常用半导体器件讲解
另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些 硫化物、氧化物等。
((112--22
半导体的导电机理不同于其它物质，所 以它具有不同于其它物质的特点。比如： 热敏性、光敏性、掺杂性。
当受外界热和光的作用时，它的导 电能力明显变化。
((118--88
硅和锗的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
((119--99
形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键 中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱 离共价键成为自由电子，因此本征半导体中 的自由电子很少，所以本征半导体的导电能 力很弱。
(1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM
(3) 反向电流IR
(4) 最高工作频率 fM
((114--74477
补充参数:
(电信专业)
（5）最大整流电流 IOM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正
向平均电流。
——注意与IF的关系
(6) 正向压降VF
(7) 极间电容CB、 CD
半导体和N型半导体，经过载流子的扩散， 在它们的交界面处就形成了PN结。
((112--12211
PN结处载流子的运动
漂移运动
P型半导 体
－－－－ － － －－－－ － －
模拟电子课件第一章_半导体材料及二极管
–20
I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
+4
+5
+4
+4
+4
第1章模拟电子技术(李雅轩)
结。如图1.1.1（b）所示。
在ＰＮ结的Ｐ区一侧带负电，Ｎ区一侧带正电。ＰＮ结便 产生了内电场，内电场的方向从Ｎ区指向Ｐ区。内电场对扩散 运动起到阻碍作用， 电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强 而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区，如 图１.1.1（b）所示。
第1章 半导体元件及其特征
(五) 实训报告 (1) 整理数据， 填好表格。
(2) 根据测试结果，用方格坐标描绘二极管正、反向特性 曲线和三极管输入、输出特性曲线。
(3) 通过输出特性曲线，在UCE=6 V, IB=60μA的工作点上求 取共发射极直流电流放大系数 和交流电流放大系数β。 (六) 思考题
(1) 如果要测试硅二极管的正向特性，应如何较合理地安 排测试点，为什么？
实表 1.4三极管的输入特性 UBE/V 0 0.10 0.30 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80
Uce=0V IB/MA
Uce=2V
第1章 半导体元件及其特征 实表1.5 三极管的输出特性
0
0.20
0.50
1
5
10
0 20 40 60 80 100 120
第1章 半导体元件及其特征
量和损坏情况。
(六) 实训报告 (1) 将测得数据进行分析整理， 填入实表1.1。
实表 1.1正、 反向电阻测量值 二极管类型 万用表电阻挡 正向电阻 反向电阻 2AP型 R×100(Ω) R×1K (Ω) 2CP型 R×100(Ω) R×1K (Ω)
1章 半导体元件及其特征
(2) 根据测量结果， 总结出一般晶体二极管正向电阻、 反 向电阻的范围。 (七) 思考题 通过实训， 你能否回答下列问题? (1) 能否用万用表测量大功率三极管？ 测量时使用哪一挡， 为什么？ (2) 为什么用万用表不同电阻挡测二极管的正向（或反向） 电阻值时，测得的阻值不同? (3) 用万用表测得的晶体二极管的正、反向电阻是直流电 阻还是交流电阻？用万用表R×10(Ω)挡和R×1k(Ω)挡去测量同 一个二极管的正向电阻时，所得的结果是否相同？为什么？
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3
武汉大学电子信息学院
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（电子型半导体）。
在N型半导体中自由电子是多 子,它主要由杂质原子提供；空 穴是少子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原 子因自由电子脱离而带正电荷成 为正离子，五价杂质原子被称为 施主杂质
硅PN结稳定性较锗结好
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1.2.4 PN结的电容特性
PN结的总电容： Cj CTCD
1、势垒电容CT：PN结上的反偏电压变化时，空
间电荷区相应变化，结区中的正负离子数量也发生改 变，即存在电荷的增减，这相当于电容的充放电， PN结显出电容效应，称为势垒电容。
2、扩散电容CD：正偏时，多数载流子的扩散运动
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小结
1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。
4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又
不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动
1、二极管的结构
触丝线
PN结
引线 外壳线 基片
P
N
点接触型二极管：PN结面积小，结电容小，A阳极
工作频率高，但不能承受较高反向电压和较
K阴极
大电流。
面接触型二极管：PN结面积大，允许通过较
符号
半导体的基本知识
1-1半导体的基本知识课 题：半导体基本知识教学目的、要求：1、了解半导体的导电特性； 2、掌握PN 结及其单向导电性。
教学重点、难点：1、PN 结形成的过程；（难点） 2、PN 结的单向导电性。
（重点） 授 课 方 法：多媒体课件讲授，提纲及重点板书。
授 课 提 纲：教 学 内 容： 组织教学准备教学材料，清点学生人数。
（课前2分钟） 引入新课半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。
常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。
半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。
从本节课开始，我们先从半导体的基本知识开始，介绍常用的半导体器件。
要求大家本征半导体的特点，掌握PN 结的形成及单向导电性。
（2分钟） 进入新课第一章 常用半导体器件§1-1 半导体的基本知识【板书】一、什么是半导体【板书】1、物质按导电能力的分类【标题板书+内容多媒体】（8分钟）自然界中的物质按其导电能力可以分为三大类：导体、绝缘体和半导体。
物质的导电特性取决于原子结构。
⑴导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
因此在外电场作用下，这些电子产生定向移动形成电流，呈现出较好的导电特性。
⑵绝缘体：高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶，塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。
⑶半导体：半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚,成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因此，半导体的导电特性介于二者之间。
半导体有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）及金属的氧化物和硫化物。
最常用的是硅和锗。
2、半导体的特点【标题板书+内容多媒体】（5分钟）半导体之所以被用来制造电子元器件，不是在于它的导电能力处于导体与绝缘体之间，而是由于它的导电能力在外界某种因素作用下发生显著的变化，这种特点表现如下：⑴半导体的电导率可以因为加入杂质而发生显著的变化。
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第一章半导体元件及其特性
1.1判断题
（1）二极管的内部结构实质就是一个PN结。
（）
（2）NPN型和PNP型晶体管的区别是不但其结构不同，而且它们的工作原理也不同。
（）（3）晶体管具有放大作用。
（）
（4）选用晶体管时，β越高越好。
（）
（5）发射结处于正向偏置的三极管，一定工作在放大状态。
（）
（6）晶体三极管的输入电阻比场效应管的大。
（）
（7）场效应管是一种电流控制的放大器件，其工作原理与三极管相同。
（）
（8）用数字万用表识别晶体二极管的极性时，若测的是晶体管的正向电阻，那么与标有“+”号的表笔相连接的是二极管正极，另一端是负极。
（）
1.2选择题
（1）在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于（）。
（a）温度（b）杂质浓度（c）电子空穴对数目
（2）当PN结外加正向电压时，扩散电流（）漂移电流；当PN结外加反向电压时，扩散电流（）漂移电流。
（a）大于（b）小于（c）等于
（3）光敏二极管应在（）下工作。
（a）正向电压（b）反向电压（c）死区电压
（4）二极管的正极电位为-5V，负极电位为-4.3V，则二极管处于（）状态。
（a）反偏（b）正偏（c）零偏
（5）稳压管是特殊的二极管，它一般工作在（）状态。
（a）正向导通（b）反向截止（c）反向击穿
（6）晶体管工作在放大区时，具有以下哪个特点（）。
（a）发射结反向偏置（b）集电结反向偏置（c）晶体管具有开关作用
（7）当三极管的两个PN结都有反偏电压时，则三极管处于（），当三极管的两个PN结都有正偏电压时，则三极管处于（）。
（a）截止状态（b）饱和状态（c）放大状态
（8）用数字万用表Rx1k的电阻挡测量一只能正常放大的三极管，用黑表笔接触一只管脚，红表笔分别接触另两只管脚时测得的电阻值都较小，该三极管是（）。
（a）PNP型（b）NPN型（c）无法确定
1.3填空题
（1）杂质半导体分型半导体和型半导体两大类。
（2）二极管工作在正常状态时，若给其施加正向电压，则二极管，若施加反向电压，则二极管，这说明二极管具有。
（3）在判别锗、硅二极管时，当测出正向压降为，此二极管为锗二极管；当测出正向压降为，此二极管为硅二极管。
（4）当加到二极管上的反向电压增大到一定数值时，反向电流会突然增大，此现象称为
现象。
（5）发光二极管是把能转变为能，它工作于状态；光电二极管是把能转变为能，它工作于状态。
（6）晶体三极管的区与区由同一类型材料组成，区掺杂浓度高，区掺杂浓度低。
（7）正常工作的NPN 型三极管各电极电位关系是E B C U U U ，该管工作于
状态。
（8）晶体三极管为 控制元件，场效应管为 控制元件。
1.4 N 型半导体中的自由电子多于空穴，而P 型半导体中的空穴多于自由电子，是否N 型半导体带负电，而P 型半导体带正电？
1.5什么是二极管的死区电压？硅管和锗管的死区电压值约为多少？
1.6如图1.1所示，二极管正向压降忽略不计，试求下列各种情况下输出端F 点的电位和电阻R 、二极管V DA 、V DB 中流过的电流。
（1）V A =V B =0V （2）V A =6V ，V B =0（3）V A =V B =6V 。
图1.1 题1.6图 图1.2 题1.7图 1.7如图1.2所示，二极管正向压降忽略不计，试求下列各种情况下输出端F 点的电位和电阻R 、二极管V DA 、V DB 中流过的电流。
（1）V A =10V ，V B =0（2）V A =V B =6V 。
1.8硅二极管电路如图1.3所示，试判断图中二极管是导通还是截止？并求出AB 两端的电
压值？
图1.3 题1.8图 1.9用万用表不同欧姆挡测量二极管的正向电阻时，会观察到测得的阻值不同，这是什么原因造成的？
1.10一个二极管的反向饱和电流在025C 时是100uA ，设温度每增加0
10C ，反向电流增加一倍，问在065C 时，该二极管的反向电流是多少？
1.11稳压管与普通二极管相比较，其特性上的主要差异是什么？
1.12在图1.4所示电路中，已知稳压二极管的VDZ U 4.3V ，I U 10V ，R=1K 时，求Uo 。
（已知稳压二极管的正向导通压降为0.7V ）
图1.4 题1.12图
1.13晶体三极管的发射极和集电极是否可以调换使用？为什么？
1.14将一PNP型晶体管接成共发射极电路，要使它具有电流放大作用，U CC和U BB的正、负极应如何连接，为什么？画出电路图。
1.15某三极管的1脚流入电流为3mA，2脚流出电流为
2.95mA，3脚流出电流为0.05mA，判断各脚名称，并指出该管的类型。
1.16测得一NPN型三极管，基极电位是0.7V，发射极电位是0V，集电极电位是6V，试判断该管工作在什么状态？
1.17测得一PNP型三极管，基极电位是-0.3V，发射极电位是-1V，集电极电位是-6V，试判断该管工作在什么状态？
1.18如图1.5所示，已知在电路中无交流信号时测得晶体管（均为硅管）各极对地的电位值，试说明各晶体管的工作状态。
图1.5 题1.18图
1.19结型场效应管的主要参数有哪些？说出它们的意义。
1.20画出各种场效应管的符号、输出特性曲线及转移特性曲线，并比较各种管子的特性有何异同。
1.21绝缘栅场效管符号中，衬底箭头指向内的是什么MOS管？箭头指向外的，又是哪一种MOS管？
1.22场效应管输出特性曲线上的三个工作区，分别对应于晶体三极管输出特性曲线的哪三个区域？
1.23为什么说绝缘栅场效应管的输入电阻可以比结型场效应管高？。