基本半导体器件
半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识半导体器件的基本知识，真是个神奇的世界。
咱们常常提到“半导体”，脑海里浮现出那些小小的芯片，觉得它们离我们有点遥远。
其实，半导体就在我们身边，像个无形的助手，让生活变得更加便利。
一、半导体的基本概念1.1 半导体是什么？半导体，简单来说，就是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它们在某些条件下能导电，在其他情况下又不导电。
是不是听上去有点神秘？其实，最常见的半导体材料就是硅。
我们用的手机、电脑，里面的处理器，几乎都离不开硅的身影。
1.2 半导体的特性半导体有很多奇妙的特性，比如它的电导率。
温度变化、杂质掺入，都会影响它的导电性能。
说白了，半导体的电性就像人心一样，瞬息万变。
通过控制这些特性，工程师们可以设计出各种各样的电子器件。
二、半导体器件的类型2.1 二极管咱们来聊聊二极管。
这小家伙看似简单，却是半导体世界的基石。
二极管只允许电流朝一个方向流动。
它就像个单行道，确保电流不走回头路。
常见的应用就是整流器，把交流电转成直流电。
这在生活中非常重要，大家用的手机充电器，就离不开二极管的帮助。
2.2 晶体管接下来是晶体管。
晶体管的发明可谓是科技界的一场革命。
它不仅能放大电信号，还能用作开关，控制电流的流动。
晶体管的出现，让电子产品变得更小、更快。
你知道吗？现代计算机的核心，CPU，里面就有成千上万的晶体管在默默工作。
2.3 其他器件还有很多其他的半导体器件，比如场效应管、光电二极管等。
每种器件都有其独特的用途和应用领域。
它们一起构成了一个复杂而又和谐的生态系统。
可以说，半导体器件的多样性是现代科技发展的动力。
三、半导体的应用3.1 消费电子说到应用，咱们首先想到的就是消费电子。
手机、平板、电视，都是半导体的舞台。
随着科技的进步，半导体技术不断演变，产品功能越来越强大，性能越来越高。
可以说，半导体让我们的生活变得丰富多彩。
3.2 工业应用除了消费电子，半导体在工业中也大显身手。
自动化设备、传感器、控制系统，全都依赖于半导体技术的支持。
半导体基本器件
集电结反向偏置，基区中扩散到集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流 IC 。
三极管电流的形成及分配 电流的分配关系 发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给β个电子，这是三极管内固定不变的电流分配原则。 β称为电流放大系数， β值通常在20～200之间
（与自由电子的运动不同）
*
结论：
本征半导体中有两种载流子：
①带负电荷的自由电子②带正电荷的空穴 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为“复合”。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。
*
N型和P型半导体 (1)N型半导体
在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有四个…多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很
截止条件： uBE <Uon(0.5V) 特点： IB=0， IC≈0 c ~ e 之间相当于断开的开关。
截止和饱和两个状态通称为开关状态。
2.2.2 三极管的主要参数及应用 Ib Ic 共发射极电流放大系数 = 20-200
空 穴 自由电子
少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。
3.PN结的形成
预备知识:
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层
2.2.1 三极管的特性曲线
半导体行业专业知识-wafer知识
半导体行业专业知识-wafer知识半导体行业中的基本元器件是晶体管、二极管、场效应管、电阻、电容等，其中以晶体管为代表。
晶体管是一种能够控制电流的元器件，也是现代电子技术的基础之一。
晶体管是由p型半导体和n型半导体组成的，这些半导体在一个共同的单晶硅片中制成，这个单晶硅片就是wafer。
Wafer（圆片）是单晶硅片的俗称，是制造半导体器件的基础。
Wafer的种类有很多，如:直径125mm、150mm、200mm、300mm等。
在生产过程中，需要将晶体管等元器件在wafer上加工出来。
进一步，wafer上的晶体管等元器件需要经过电测试、工艺修正、包装等步骤，才能成为可实际使用的电子产品。
换句话说，wafer是半导体制造的基石。
制造wafer的方式通常是从多晶硅开始。
多晶硅是由小晶粒组成的晶体，其中尚含有杂质。
先将多晶硅置于炉中，并加热至一定温度使其融化然后凝结，并在此过程中控制加入杂质的数量与质量。
由于杂质会改变硅的电子特性，因此控制其数量与质量对于晶圆的电子性能有重大的意义。
在制造过程中，生产厂需对wafer表面进行多次加工，以便制造出所需的电子元器件。
在加工之前，需要对wafer进行光洁度处理，以使其表面的污垢和缺陷最小化。
接下来，需要在wafer上涂上光刻胶并通过光刻过程来形成具体的电路。
光刻胶是一种光敏感树脂，在涂刷后可以通过紫外光曝光获得所需的芯片图案。
完成光刻后，接下来就是wafer刻片阶段，将不需要的区域和多余的金属等程深度刻蚀掉，具体步骤包括干法刻蚀和液共刻蚀，以及对已经完成刻蚀的部分进行清洗和光敏胶的去除等。
除了这些基本操作以外，还需要针对性的加工wafer，定制各种不同的电子芯片，最终将它们与其他元器件组装在一起，形成具体的电子设备。
需要指出的是，在整个半导体产业链中，wafer是最基础的组成部分。
尽管其并不直接参与到电子设备的生产过程中，但是其质量对系统整体电子性能的影响非常大。
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）。
半导体器件的基本概念和应用有哪些
半导体器件的基本概念和应用有哪些一、半导体器件的基本概念1.半导体的定义：半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，常见的有硅、锗、砷化镓等。
2.半导体的导电原理：半导体中的载流子（电子和空穴）在外界条件（如温度、光照、杂质）的影响下，其浓度和移动性会发生变化，从而改变半导体的导电性能。
3.半导体器件的分类：根据半导体器件的工作原理和用途，可分为二极管、三极管、晶闸管、场效应晶体管等。
二、半导体器件的应用1.二极管：用于整流、调制、稳压、开关等电路，如电源整流器、数字逻辑电路、光敏器件等。
2.三极管：作为放大器和开关使用，如音频放大器、数字电路中的逻辑门等。
3.晶闸管：用于可控整流、交流调速、电路控制等，如电力电子设备、灯光调节等。
4.场效应晶体管：主要作为放大器和开关使用，如场效应晶体管放大器、数字逻辑电路等。
5.集成电路：由多个半导体器件组成的微型电子器件，用于实现复杂的电子电路功能，如微处理器、存储器、传感器等。
6.光电器件：利用半导体材料的光电效应，实现光信号与电信号的转换，如太阳能电池、光敏电阻等。
7.半导体存储器：用于存储信息，如随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等。
8.半导体传感器：将各种物理量（如温度、压力、光照等）转换为电信号，用于检测和控制，如温度传感器、光敏传感器等。
9.半导体通信器件：用于实现无线通信功能，如晶体振荡器、射频放大器等。
10.半导体器件在计算机、通信、家电、工业控制等领域的应用：计算机中的微处理器、内存、显卡等；通信设备中的射频放大器、滤波器等；家电中的集成电路、传感器等；工业控制中的电路控制器、传感器等。
以上就是关于半导体器件的基本概念和应用的详细介绍，希望对您有所帮助。
习题及方法：1.习题：请简述半导体的导电原理。
方法：半导体中的载流子（电子和空穴）在外界条件（如温度、光照、杂质）的影响下，其浓度和移动性会发生变化，从而改变半导体的导电性能。
半导体基本器件
半导体基本器件引言半导体是一种具有特定电子行为的材料，既不完全是导体，也不是绝缘体。
半导体在现代电子设备中起到至关重要的作用，因为它们可以用来制造各种各样的基本器件。
这些基本器件在电路中起到关键的作用，如放大信号、控制电流等。
本文将学习和讨论一些常见的半导体基本器件，包括二极管、三极管和场效应管。
二极管二极管是一种最简单的半导体器件。
它由两个相反类型的半导体材料（P型和N型）组成，其中P区具有多余的正电荷，N区具有多余的负电荷。
这种差异导致了一个电势能壕，使得电子很难穿过二极管。
当正向电压施加在二极管上时，电子可以通过二极管流动，形成一个电流。
而在反向电压下，电子无法通过二极管，形成一个开路。
二极管被广泛用于整流电路中。
整流电路可以将交流信号转换为直流信号，通过使用二极管的开关特性来选择正向电流流向。
在直流电源中，二极管还可以作为保护器件，防止电流逆向流动。
三极管三极管是一种用来放大电流的半导体器件。
它由三个区域组成：发射极（E）、基极（B）和集电极（C）。
发射极和基极之间是一个PN 结，称为发射结，而基极和集电极之间是另一个PN结，称为集电结。
三极管的放大作用是通过输入信号在基极端产生的小电流来控制集电极端的电流增益。
当输入信号为正向偏置时，基极电流增加，从而导致集电极电流增加。
因此，三极管可以被用作电流放大器。
此外，三极管还可以作为开关使用，当输入信号为正时，三极管工作在饱和区，导通集电极电流；当输入信号为负时，三极管工作在截止区，阻断集电极电流。
场效应管场效应管（FET）是一种用于放大和控制电流的半导体器件。
它由源极（S）、栅极（G）和漏极（D）组成。
在场效应管中，控制电流通过控制栅极电压来实现。
场效应管有两种主要类型：增强型和耗尽型。
增强型FET的栅极电压增加时，漏极电流也增加。
耗尽型FET的栅极电压增加时，漏极电流减小。
场效应管与三极管的一个重要区别是它的输入电阻更高，这使得场效应管在某些应用中更具优势。
半导体器件的基本知识
1.4.2 光敏二极管
a) 光敏二极管伏安特性曲线
b) 光敏二极管图形符号
图1-17 光敏二极管伏安特性曲线及图形符号
1.4.3 发光二极管
发光二极管简写为LED，其工作原理与光电二极管相反。 由于它采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制成，所以在通 过正向电流时，由于电子与空穴的直接复合而发出光来。
a) 发光二极管图形符号
b) 发光二极管工作电路
图1-18 发光二极管的图形符号及其工作电路
1.5 双极型晶体管
• 双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor， BJT），简称晶体管，它是通过一定的工艺 将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结 之间相互影响，BJT表现出不同于单个PN 结的特性，具有电流放大作用，使PN结的 应用发生了质的飞跃。
1．输入特性曲线 UCE=0V的输入特性曲线类似二极管正向于特性曲线。UCE≥1V时，集电极 已反向偏置，而基区又很薄，可以把从发射极扩散到基区的电子中的绝大 部分拉入集电区。此后，UCE对IB就不再有明显的影响，其特性曲线会向 右稍微移动，但UCE再增加时，曲线右移很不明显，就是说UCE≥1V后的 输入特性曲线基本是重合的。所以，通常只画出UCE≥1V的一条输入特性 曲线。
PN结的两端外加不同极性的电压时，PN结呈现截然 不同的导电性能。
1．PN结外加正向电压
当外加电压V，正极接P区，负极接N区时，称PN结外加正 向电压或PN结正向偏置(简称正偏)。外加正向电压后，外 电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场促使N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正 空间电荷，P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间 电荷，整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子 的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流）。在 一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，PN结呈现出一 个阻值很小的电阻，称为PN结正向导通。
第二章半导体基本器件(精)
第二章半导体基本器件内容提要【了解】半导体的相关知识【熟悉】二极管（即PN结）的单向导电性及主要参数【了解】三极管的电流放大原理【熟悉】三极管输出特性曲线的三个工作区及条件和特点、主要参数【了解】MOS管的工作原理、相应的三个工作区以及与三极管的性能区别一．复习提要二．典型例题三．本章小结复习提要：*了解半导体基础相关知识：半导体(导电性能介于┉)、本征半导体(纯净,晶体)、共价键(共用电子对)；热激发：自由电子-空穴对、载流子、复合、浓度(微量,温度影响) ；掺杂半导体：N型(五价磷)、P型半导体(三价硼)、多子、少子；PN结：扩散、离子、空间电荷区、内电场EIN、阻挡层、漂移、动态平衡。
(p38~p41)本征半导体掺杂半导体PN结一.PN结(二极管)的单向导电性：p41单向导电性1.PN结内部扩散和漂移的动态平衡(空间电荷区的调节作用)；2.外加电压(外电场)打破原有的平衡(加正向偏压，削弱了内电场的作用，有利于扩散，形成较大的正向电流，导通；加反向偏压，增强了内电场的作用，有利于漂移，形成微弱的反向电流，截止)；3.熟悉PN结的伏安特性（i~u）：硅和锗的导通电压U ON分别为0.5V和0.1V、正向电压降U D分别为0.6~0.8V和0.1~0.3V,击穿电压U(RB)、二极管符号、主要参数(p43)及应用(数字：开关；模拟：整流、限幅；稳压管：正常工作在反向击穿状态，为了使稳压管不会因过流而损坏，应当在电路中加限流电阻（见图2.1.9）。
伏安特性稳压管电路*了解三极管电流放大原理：(1)发射结正偏,其正向电流主要是由发射区的多子向基区扩散所形成的电流I E(因为发射区重掺杂而基区掺杂浓度很低,故基区的多子向发射区扩散可以忽略)；(2) 注入到基区的多子在基区的复合和继续扩散；(3) 复合所形成基极复合电流I BN(≈I B)很小,大部分扩散被集电结反向偏置电场吸引到集电区,形成较大的集电极收集电流I CN(≈I C)(因为基区薄、掺杂浓度低,集电结反偏)。
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二、 N型半导体和P型半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质， 就会使半导体的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浓度 大大增加。载流子：电子，空穴 N型半导体（多数载流子为电子，少数载流子 为空穴.）
(6 - 13)
三、PN结及的形成及其单向导电性
1. PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P型 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。
(6 - 14)
PN结处载流子的运动
P型半导 体
漂移运动 N型半导
内电场E 体
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + +
思是： P区加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压、反向偏置的意 思是： P区加负、N区加正电压。
(6 - 17)
PN结正向偏置
内电场减弱，使扩散加 强，
空间电荷区变窄 扩散飘移，正向电流 大
P
－－ + +
N
+
－－ + +
_
－正－向电流+ +
－－ + +
内电场 外电场
(6 - 18)
PN结反向偏置
(6 - 11)
硅原子 空穴
P型半导体 Si Si
硼原子
B
Si
P型硅表示
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且
可以移动
(6 - 12)
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
P型半导体
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
N型半导体
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + +
空间电荷区
扩散运动
(6 - 15)
PN结处载流子的运动
P型半导 体 －－－－ － －
内电场E N型半导 体
+ +++++
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + －－－－ － － + + + + +
Si 硅原子
Ge 锗原子 (6 - 5)
2.共价键:每个原子的一个价电子与相邻的另一个原 子的一个价电子组成一个电子对,这对价电子是两个 相邻原子共有的,它们把相邻原子结合在一起,共价键 中的电子较为稳定.
硅和锗的
共价键结 构
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
(6 - 6)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+4
+4
+4
+4
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。
片机)
(6 - 3)
第一章 基本半导体器件
1.1 半导体的物理特性 1.2 半导体二极管 1.3 稳压管 1.4 半导体三极管 1.5 绝缘栅场效应管
(6 - 4)
§1.1 半导体的物理特性 一、 半导体
1.本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
(6 - 9)
硅原子 磷原子
N型半导体
Si
Si
多余电子
P
Si
N型硅表示 +
(6 - 10)
2.P型半导体
硅或锗 +少量硼 P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼 原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形 成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚 电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离 子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。
小规模集成电路:10-100元件/片(各种逻辑门、触发器)
中规模集成电路: 10-100门电路/片或
100-1000元件/片(译码器、编码器、
计数器寄存器等)
大规模集成电路: >100门电路/片 或>1000元件/片(CPU 、
存储器、接口等.)
超大规模集成电路: >1000门电路/片 或>10万元件/片(单
P型半导体（多数载流子为空穴，少数载流子 为电子.）
(6 - 8)
1.N型半导体
硅或锗 +少量磷 N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，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，必定多出一个电子，这个电子几 乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样 磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。
漂移运动
内电场越强，就使漂 移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄。
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
+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。
(6 - 16)
2. PN结的单向导电性 PN结加上正向电压、正向偏置的意
内电场加强，使扩散停止， 有少量飘移，反向电流很小
空间电荷区变宽
P － －－ + + + N
_
－ －－ + + +
+
－ －－ + + +
－ －－ + + +
内电场
反向饱和电流
电子技术
1
电子技术
绪论:
从二十世纪初期第一代电子器件真空管问世以来,电子 器件和电子技术得到了迅速的发展,尤其是八十年代以 来发展更快.电子器件和电子技术的发展大大促进了通 信技术,测量技术,自动控制技术及计算机技术的迅速发 展. 电子技术课程包括两大部分内容:模拟电路和数字电路.
模拟电路:处理的信号是模拟信号,它是随时间连续变化 的信号.
数字电路:处理的信号是数字信号,它是随时间不连续变 化的信号.
(6 - 2)
在模电部分介绍:二极管、三极管、稳压管、绝缘栅场效 应管;整流、滤波及稳压电路,三极管放大电路以及集成运 算放大电路等. 数字电路介绍:各种数制码制,基本逻辑门、逻辑代 数,组合逻辑电路和时序逻辑电路等内容. 随着电子技术的发展,集成电路的发展日新月异
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。
3.自由电子、空穴---半导体的载流子
在温度增加或受光照时共价键中的少数价电子可能获得一定 的能量挣脱原子核的束缚而激发成自由电子,同时在共价键中 留下一个空位子称为空穴.