现代电子线路02半导体性质
半导体 超导体
半导体超导体半导体和超导体是现代电子学和物理学中非常重要的两个概念。
它们分别代表了电子材料中的两种不同的电子行为，即半导体中的电子是部分导体、部分绝缘体，而超导体中的电子则可以在零电阻下流动。
本文将从半导体和超导体的基本概念、性质、应用以及未来发展等方面进行探讨。
一、半导体半导体是介于导体和绝缘体之间的一类电子材料，其电导率介于导体和绝缘体之间。
半导体中的电子主要是由价带和导带组成的，其中价带是指最高的占据态能级，导带是指最低的未占据态能级。
在半导体中，电子的能量不足以跨越带隙，因此不能自由地流动，但是当半导体受到外部激励（如温度、光照、电场等）时，电子就会跃迁到导带中，从而形成了电流。
半导体的性质和应用非常广泛。
首先，半导体可以用于制作各种电子器件，如晶体管、光电二极管、太阳能电池等。
其次，半导体的导电性质可以通过掺杂来改变，即将一些杂质原子引入半导体中，从而改变电子的能带结构。
这种过程被称为掺杂，掺杂后的半导体被称为杂质半导体，其导电性质可以被有效地控制。
最后，半导体的热电性质也非常重要，即在温度差的作用下，半导体可以产生电势差，这种现象被称为热电效应。
热电材料广泛应用于温度测量、能量转换等领域。
二、超导体超导体是一类在低温下具有零电阻和完全反射磁场的电子材料。
超导体的电子行为是由库珀对（即由两个电子组成的复合粒子）的相互作用引起的。
当超导体的温度降低到临界温度以下时，库珀对开始形成，电子可以在不受阻碍地流动，形成零电阻。
此外，超导体还具有完全反射磁场的性质，即当磁场作用于超导体时，其内部电流可以产生反向磁场，从而抵消外部磁场的影响。
超导体的性质和应用也非常广泛。
首先，超导体可以用于制造高灵敏度的磁场传感器和磁共振成像设备等。
其次，超导体的零电阻性质可以用于制造高效率的电力输送线路和超导电动机等。
此外，超导体还可以用于制造高能物理实验设备、量子计算机等。
尽管超导体的应用领域非常广泛，但是由于其需要低温环境的限制，其实用性还存在一定的局限性。
半导体的特性
半导体的特性
半导体是一种具有介于导体和绝缘体之间的电导性能的材料。
其特
性包括：
1. 导电性：半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能。
在绝缘
体中，电子无法自由移动，而在导体中，电子可以自由移动。
半导体
的特点是在常温下，其导电性由掺杂与温度控制。
2. 能带结构：半导体的原子排列形成了能带结构，其中包含导带和
价带。
绝缘体的导带与价带之间的能隙非常大，而导体几乎没有能隙。
半导体的能隙介于导体和绝缘体之间，通常为1-3电子伏特。
3. 温度对导电性的影响：与导体不同，半导体的电导性能与温度密
切相关。
随着温度的升高，半导体的电导性能也会增加。
4. 掺杂：通过在半导体晶体中掺入少量的杂质，可以显著地改变其
导电性质。
杂质的掺杂可以分为N型和P型。
N型掺杂引入一个附加
的自由电子，而P型掺杂引入一个附加的空穴。
5. PN结：将N型和P型的半导体材料接触在一起形成PN结。
PN
结具有整流作用，即在正向偏置时，电流可以流动，而在反向偏置时，电流被阻塞。
6. 半导体器件：半导体的特性使其成为制造各种电子器件的理想材料，如二极管、晶体管、场效应管和集成电路等。
总的来说，半导体的特性使其成为现代电子技术的基础，广泛应用于计算机、通信、光电等领域。
现代电子线路基础(陆利忠)第2章习题答案
习题145习 题2.1 求题图2.1电路的静态工作点I CQ 和V CEQ 的值。
已知晶体管的V BE =－0.7V ,50β=。
R B1R B2R G6.8k Ω22k Ω100k ΩR G115k Ω题图2.1题图2.2解：转换为戴维南等效电路如下图：+V CC R C其中221212.8,|| 5.2B B CC B B B B B R V V V R RRk R R =⨯=-==Ω+列输入回路KVL 方程：||(2.80.7)38(5.2501)B BE BQ B E V V VI A R R k μβ--===++⨯Ω， 1.8CQ BQ I I mA β==() 3.8CEQ CC CQ C E V V I R R V =++=-2.2 已知题图2.2电路中场效应管的夹断电压V P =-2V ,工艺参数21.25mA/V k =。
求静态工作点V GSQ 、I DQ 和V DSQ 的值。
解：耗尽型N 沟道MOSFET 管，采用混合偏置：21()3.13GSQ G DQ SDQ GSQ P GG DD G G V V I R Ik V V R V V VR R =-⨯=-=⨯=+，解得：12123.4, 1.93.67,0.67DQ DQ GSQ GSQ I mA I mA V mA V mA===-=- 作为耗尽型N 沟道MOSFET 管而言，要求2GSQ P V V ≥=-Ｖ 此时DQ ()I 24 1.911.27DSQ DD D S V R R mA k V =-+=-⨯Ω=Ｖ（4.7+2）2.3 放大电路及其静态图解如题图2.3所示。
试估算电路的静态工作点I CQ 和V CEQ 各为多少？集电极电阻R C 为多少？RL4128(V)(b)(a)题图2.3解：从输出特性曲线可知：V CC =12 V因此CC BEBQBV-V(120.7)12I=60R200200V VAk kμ-=≈=ΩΩ（必忽略V BE，否则输出曲线上无对应点）对应输出特性曲线：CQI=6m A（找出BI=60u A曲线，平行于横轴作平行线与纵轴交点）CEQ CC CQ CV=V-I R⨯，故C1R k=Ω，CEQ6V V=。
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。
电子电路基础知识
最新电子电路基础知识第一节电阻器电阻，英文名resistance，通常缩写为R，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。
欧姆定律说，I=U/R，那么R=U/I，电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“Ω”表示，有这样的定义：导体上加上一伏特电压时，产生一安培电流所对应的阻值。
电阻的主要职能就是阻碍电流流过。
事实上，“电阻”说的是一种性质，而通常在电子产品中所指的电阻，是指电阻器这样一种元件。
师傅对徒弟说：“找一个100欧的电阻来！”，指的就是一个“电阻值”为100欧姆的电阻器，欧姆常简称为欧。
表示电阻阻值的常用单位还有千欧（k Ω），兆欧（MΩ）。
一、电阻器的种类电阻器的种类有很多，通常分为三大类：固定电阻，可变电阻，特种电阻。
在电子产品中，以固定电阻应用最多。
而固定电阻以其制造材料又可分为好多类，但常用、常见的有ＲＴ型碳膜电阻、ＲＪ型金属膜电阻、ＲＸ型线绕电阻，还有近年来开始广泛应用的片状电阻。
型号命名很有规律，Ｒ代表电阻，Ｔ－碳膜，Ｊ－金属，Ｘ－线绕，是拼音的第一个字母。
在国产老式的电子产品中，常可以看到外表涂覆绿漆的电阻，那就是ＲＴ型的。
而红颜色的电阻，是ＲＪ型的。
一般老式电子产品中，以绿色的电阻居多。
为什么呢？这涉及到产品成本的问题，因为金属膜电阻虽然精度高、温度特性好，但制造成本也高，而碳膜电阻特别价廉，而且能满足民用产品要求。
电阻器当然也有功率之分。
常见的是1/8瓦的“色环碳膜电阻”，它是电子产品和电子制作中用的最多的。
当然在一些微型产品中，会用到1/16瓦的电阻，它的个头小多了。
再者就是微型片状电阻，它是贴片元件家族的一员，以前多见于进口微型产品中，现在电子爱好者也可以买到了（做无线窃听器？）二、电阻器的标识这些直接标注的电阻，在新买来的时候，很容易识别规格。
可是在装配电子产品的时候，必须考虑到为以后检修的方便，把标注面朝向易于看到的地方。
所以在弯脚的时候，要特别注意。
在手工装配时，多这一道工序，不是什么大问题，但是自动生产线上的机器没有那么聪明。
半导体的基本特征
半导体的基本特征半导体是一种具有特殊电性质的材料，其具备一些独特的特征。
本文将介绍半导体的基本特征，包括导电性、能带结构、载流子、禁带宽度以及掺杂等方面。
一、导电性半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。
它的导电性来源于其晶格中的原子或离子。
在晶格中，半导体的原子或离子排列紧密，但并非十分紧密，因此其导电性比金属导体差。
半导体在常温下，其电子处于能带中，无法自由移动。
只有在施加外界电场或加热的情况下，电子才能克服能带间隙的能量差，从而跃迁到导带中，实现电导。
二、能带结构半导体的能带结构是其导电性的重要依据。
能带是指电子能量的分布区域，包括价带和导带。
价带是指电子处于低能态的能带，其电子难以自由移动；而导带是指电子处于高能态的能带，电子能够自由移动。
半导体的能带结构中，导带与价带之间存在一段能量间隙，称为禁带。
禁带宽度决定了半导体的导电特性，禁带宽度较小的半导体更易导电。
三、载流子在半导体中，载流子是指能够携带电荷的粒子，包括自由电子和空穴。
自由电子是指从价带跃迁到导带中的电子，它们带有负电荷，能够自由移动。
而空穴是指在价带中留下的缺电子的位置，它们带有正电荷，也能够自由移动。
半导体的导电性与载流子的数量和移动性息息相关。
四、禁带宽度禁带宽度是半导体的一个重要参数，它决定了半导体的导电性能。
禁带宽度越小，半导体的导电性越好。
当外界电场或加热作用下，电子能够克服禁带宽度的能量差，跃迁到导带中，形成自由电子。
因此，禁带宽度的大小直接影响了半导体的导电特性。
五、掺杂掺杂是指在半导体中加入少量的杂质元素，以改变其导电性能。
掺杂分为N型和P型两种。
N型半导体是指通过掺杂杂质元素，使半导体中的电子数目增加，导电性变强。
而P型半导体是指通过掺杂杂质元素，使半导体中的空穴数目增加，导电性变强。
通过N型和P型半导体的结合，可以形成PN结，进一步扩展了半导体材料的应用。
半导体的基本特征包括导电性、能带结构、载流子、禁带宽度以及掺杂等方面。
半导体材料特性
半导体材料特性
半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学、光学和热
学性质，因此在电子器件、光电器件、光学器件等领域具有广泛的应用。
本文将对半导体材料的特性进行介绍，以便更好地了解和应用这一类材料。
首先，半导体材料的电学特性是其最为重要的特点之一。
半导体材料具有一定
的导电性，但是其导电性能受温度、杂质等因素的影响较大。
当半导体材料处于室温下时，其导电性较差，但是当半导体材料受到光照、电场等外界条件的影响时，其导电性会发生变化，这一特性被广泛应用于光电器件、太阳能电池等领域。
其次，半导体材料的光学特性也是其独特之处。
半导体材料在光照下会产生光
致发光、光致发射等现象，这一特性被广泛应用于LED、激光器等光电器件中。
此外，半导体材料还具有光电效应，即在光照下产生电荷分离和电流产生，这一特性被应用于光电探测器、光电传感器等领域。
另外，半导体材料的热学特性也是需要重点关注的。
半导体材料的热导率较低，热扩散性能较好，这使得半导体器件在工作过程中能够有效地散热，保证器件的稳定性和可靠性。
此外，半导体材料的热电效应也被广泛应用，即在温度差异作用下产生电压和电流，这一特性被应用于温差发电、温度传感器等领域。
综上所述，半导体材料具有独特的电学、光学和热学特性，这些特性使得半导
体材料在电子器件、光电器件、光学器件等领域具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，相信半导体材料的特性将会得到更加深入的研究和应用，为人类社会带来更多的便利和进步。
半导体材料有哪些基本特性
半导体材料基本特性在当今科技领域，半导体材料是一类关键的材料，在电子、光电子和通讯领域具有广泛应用。
半导体材料与金属和绝缘体都有着截然不同的特性。
下面将介绍半导体材料的一些基本特性。
导电性半导体材料的导电性介于金属和绝缘体之间。
在室温下，半导体的电导率比绝缘体高，但远远低于金属。
这是因为半导体材料具有能带结构，在绝缘体中，能带带隙很大，电子难以从价带跃迁到导带，因此导电性很差；而在金属中，能带带隙几乎为零，使得电子自由跃迁，导电性很好。
而在半导体中，能带带隙介于绝缘体和金属之间，当半导体受到外部激发（如光或热）时，电子可以跃迁到导带，形成电流，导致导电性增加。
光吸收和发射半导体材料还具有光吸收和发射的特性。
当光线照射在半导体表面时，光子能量被半导体吸收，激发半导体内的电子跃升至激发态，形成激子。
当激子重新组合时，释放出能量，发出辐射光。
这种光发射现象被广泛应用于半导体激光器、LED 等领域。
能带结构半导体的能带结构是其特有的性质之一。
能带结构包括导带和价带，两者之间的能隙是半导体的重要指标。
当传输能量较小的电子从价带跃迁到导带时，半导体呈现导电性，而当没有足够能量的光子作用时，电子则不能跃迁到导带，半导体呈现绝缘性。
温度特性半导体材料的电学性质与温度密切相关。
一般来说，在半导体中，随着温度升高，电阻率会降低，导电性将增强；而在一些特殊情况下，随温度升高，半导体的导电性也可能会降低。
这种温度特性是半导体器件稳定工作的重要因素之一。
杂质控制半导体材料的纯度对其性能有着重要影响。
在制备半导体材料时，必须严格控制杂质的含量，尤其是掺杂控制。
通过掺入不同种类的杂质元素，可以调节半导体的电学性质，如增加或减小导电性等。
因此，对杂质的控制是确保半导体器件稳定性和可靠性的关键要素。
综上所述，半导体材料具有独特的导电性、光吸收和发射特性、能带结构、温度特性和杂质控制等基本特性，这些特性使得半导体材料在现代电子、光电子和通讯领域发挥着重要作用。
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+4
束缚电子
+4
空穴 自由电子
在室温（300K）下，由于热激发，会使一些价电子获 得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子 （free electron），这种现象称为本征激发（intrinsic excitation）。
价电子成为自由电子后，共价键中就留下一个空位， 这个空位称为空穴（hole）。空穴的出现是半导体区 别于导体的一个重要特点。
价电子
Si
Ge
2020/10/2
硅原子
School of Physics, Peking University
锗原子
第二章 No.4
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。
在硅和锗的本征半导体中，
每个原子与其相临的原子
之间形成共价键，共用一
对价电子。
N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），取代晶体点阵中的某些半导体
+4
+4
原子，磷原子的最外层有五个价电子，其
中四个与相临的半导体原子形成共价键，
而多余的一个价电子因无共价键束缚而很
容易被激发而形成自由电子。
+5
+4
在N型半导体中自由电子是多数载流子 （majority carrier），它主要由杂质原 子提供；空穴是少数载流子（minority carrier）, 由热激发形成。
(conductor)、绝缘体(insulator)和半导体。
绝缘体
半导体
导体
1020 1016 1014 1012 106 104
石云 橡硬纯硅
英母 胶玻水、
璃
锗
103
( cm)
半导体的电阻率介于10-3~106之间。
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是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。
N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、锑），主要载 流子为电子，也称作电子型半导体；
P型半导体：掺入三价杂质元素（如硼、铟），主要载 流子为空穴，也称作空穴型半导体。
2020/10/2
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第二章 No.10
第二章 No.2
半导体的导电机制不同于其它物质，所以它具有不同 于其它物质的特点：
1、当受外界热和光的作用时，半导体的导电能力将发生显著 变化；（光敏电阻、热敏电阻）
2、在纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，其导电能力会有 显著的增加。
常见的半导体有：硅、锗、Ⅲ-Ⅴ族化合物（如GaN、GaAs）、 Ⅱ-Ⅵ族化合物（如一些硫化物和氧化物）等，目前，硅半导体 制品约占整个半导体市场的95%。
硅、锗的晶体结构
2020/10/2
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第二章 No.6
+4
+4
在绝对零度（即T=0K）和无外界激发（光照、电 磁辐射）时，共价键中的价电子被束缚，在本征 半导体内没有可以自由运动的带电粒子——载流 子（carrier），此时半导体相当于绝缘体。
电子浓度 空穴浓度
式中，A为与材料有关的系数，T为绝对温度，k为波耳兹曼常数， EG为禁带宽度（eV），表示热力学零度时挣脱共价键所需要的能量。
T=300K时，本征硅的电子和空穴浓度为：
n p 1.4 1010 / cm3
本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低（本 征硅的原子浓度为5×1022/cm3），所以总的来说导电能力很差（电阻 率为104Ω·cm）。
2020/10/2
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第二章 No.3
二、共价键（covalent bond）结构
1、本征半导体（intrinsic semiconductor）
以最常见的半导体硅和锗为例，它们的最外层电子（即 价电子，valence electron）都是四个。
空穴（可看作带正电的粒子）的运动是靠相邻 共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。
电流方向相同）。
2020/10/2
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第二章 No.8
negative
positive
3 EG
本征半导体载流子浓度： n(T ) p(T ) AT 2e 2kT
第二章：半导体器件的特性
本章内容： §2.1 半导体基本知识 §2.2 PN结及二极管 §2.3 双极型晶体管
2020/10/2
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第二章 No.1
§2.1 半导体基本知识
一、什么是半导体（semiconductors）
根据物体导电能力（电阻率 ）的不同，可以将物体分为导体
+4
+4
共价键内的两个电子称
为束缚电子（bonded
electron）。
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
共价键 共用电 子对
2020/10/2
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第二章 No.5
共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。
本征载流子的浓度对温度十分敏感。而且随着温度的升高，基本上按 指数规律增加。
2020/10/2
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第二章 No.9
2、掺杂半导体（doped semiconductor）
导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流 子（电子，空穴）浓度大大增加。
z
0,0, 12
1 2
,
1 2
,
1 2
共价键正四面体，键之间的夹角 109°28′：每个原子处于四面体 中心，而有四个其它原子位于四 面体的顶点。
1 4
,
1 4
,
1 4
y 空间利用率约34％，杂质粒子很
0, 12,0 容易在晶,0
且为替位杂质的扩散运动也提供 了足够的条件。
在本征半导体内，自由电子与空穴总是成对出现的（称为电子—空穴对）。 因此，在任何时刻，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。
2020/10/2
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第二章 No.7
本征半导体的导电（电子—空穴对导电）
+4
+4
+4
+4
外电场E
半导体导电的特殊性：两种载流子参与导电。 自由电子导电：形成电子电流 空穴导电：形成空穴电流