半导体的导电特性(精)
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，
半导体的特性
一、本征半导体的导电特性1.导体、绝缘体和半导体自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。
如金、银、铜、铝、铁等金属材料很容易导电，我们称它们为导休。
导体的电阻率小于10-6cm。
如陶瓷、云母、塑料、橡胶等物质很难导电，我们称它们为绝缘体。
绝缘体的电阻率大于108cm。
有一类物质，如硅、锗、硒、硼及其一部分化合物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称之为半导体。
半导体的电阻率在10-6～108之间。
众所周知，导体具有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，它们都是很好的电工材料。
我们用导体制成电线，用绝缘体来防止电的浪费和保障安全。
而半导体却在很长时间被人们所不齿，因为它的导电性能不好，绝缘性能又差。
然而它的不公正待遇随着人们对它所产生的愈来愈浓厚的兴趣消失了，它终于登上了大雅之堂！这是为什么呢？这是因为它具有一些可以被人们所利用的奇妙特性。
半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体。
在什么情况下呢？①掺杂：在纯净的半导体中适当地掺入极微量（百万分之一）的杂质，就可以引起其导电能力成百万倍的增加。
②温度：当温度稍有变化，半导体的导电能力就会有显著变化。
如温度稍有增高，半导体的电阻率就会显著减小。
同理光照也会影响半导体的导电能力。
2.本征半导体的原子结构本征半导体——非常纯净且原子排列整齐的半导体。
（纯度约为99.999999999%。
即杂质含量为10的9次方分之一。
）硅原子一14个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在三层电子轨道上。
锗原子一32个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在四层电子轨道上。
由于原子核带正电与电子电量相等，正常情况下原子呈中性。
由于内层电子受核的束缚较大，很少有离开运动轨道的可能。
所以它们和原子核一起组成惯性核。
外层电子受原子核的束缚较小。
叫做价电子。
硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素，其简化图见电子课件。
半导体的导电特性杂质电子与导电性的关系
半导体的导电特性杂质电子与导电性的关系半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其导电特性与其内部的杂质电子密切相关。
在本文中，我们将探讨半导体的导电特性与杂质电子之间的关系，并介绍几种常见的半导体杂质掺杂类型及其导电性质。
一、掺杂对半导体导电特性的影响1. 杂质掺杂半导体通过潜在的杂质掺杂，即将少量的外来原子引入到晶体中来增强其导电性能。
杂质可以是五价的磷或三价的硅，分别称为N型和P型半导体。
这些杂质原子与半导体晶体原子形成化学键，引入额外的电子或空穴，从而改变其导电特性。
2. N型半导体在N型半导体中，磷原子的外层电子多于硅原子，磷原子取代硅晶格位置时，五价的磷原子将共价键与四个硅原子形成。
多余的第五个电子不与任何原子形成共价键，形成自由电子。
这些自由电子在半导体中流动，使N型半导体具有较高的电导率。
3. P型半导体在P型半导体中，硅原子的外层电子少于磷原子，因此P型半导体通过三价的硅原子掺杂。
这些三价硅原子与晶体硅原子形成共价键，但又有一个缺少的共价键。
这个缺少的位置称为空穴，因此半导体内出现了正电荷。
在P型半导体中，空穴被认为是载流子，通过与自由电子的复合，有效地传导电流。
二、半导体杂质掺杂类型及导电性质1. N型半导体掺杂N型半导体通过掺杂五价元素，如磷或砷，增加了半导体中的自由电子数量。
这些自由电子可从禁带穿过，在半导体中导电。
N型半导体具有较高的电导率，适用于制造晶体管和发光二极管（LED）等电子器件。
2. P型半导体掺杂P型半导体通过掺杂三价元素，如硼或铝，增加了半导体中的空穴数量。
这些空穴可以吸收自由电子并传导电流。
P型半导体也用于制造晶体管和LED等器件，与N型半导体结合使用以形成PN结。
3. 绝缘体杂质掺杂当掺杂浓度过高时，半导体的导电性能可能会减弱或消失。
这种情况下，半导体可能会表现出绝缘体的性质，导电能力很低，不可实际应用。
三、总结半导体的导电特性与杂质电子的存在密切相关。
半导体的特性
半导体的特性半导体是一种材料，具有介于导体和绝缘体之间的电导特性。
它在电子学和计算机科学领域有着广泛的应用，是现代科技产业的重要基础之一。
本文将探讨半导体的特性，并着重介绍三个方面：禁带宽度、载流子和PN结。
一、禁带宽度禁带宽度是指半导体材料中电子能级的分布情况。
具体而言，半导体的能带结构分为价带和导带两个能带，之间被称为禁带。
价带中填满了价电子，而导带中则存在自由电子。
禁带宽度是指这两个能带之间的能量差，以电子伏特（eV）为单位。
不同的半导体材料具有不同的禁带宽度。
常见的硅（Si）和锗（Ge）等有机半导体材料，其禁带宽度较小，大约为1至1.5 eV。
而氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料的禁带宽度较大，可达3至4 eV。
禁带宽度的大小直接影响着半导体的导电特性和应用范围。
二、载流子载流子是指半导体中在电场作用下可以运动的带电粒子。
在半导体中，主要存在两种类型的载流子：电子和空穴。
电子是负电荷载流子，它在外电场的作用下从价带跃迁至导带。
而空穴则是价带中被电子跃迁后留下的正电空位，它可以看作是电子的反粒子，具有正电荷。
半导体中的载流子浓度和移动性是半导体材料电子导电性能的关键因素。
纯度较高的半导体材料中，电子和空穴的浓度相等，处于热平衡状态。
但通过杂质掺杂等方法，可以引入额外的电子或空穴，从而改变载流子的浓度，使半导体具有特定的导电性能。
三、PN结PN结是半导体器件中最基本的结构之一，由n型半导体和p型半导体组成。
n 型半导体中的载流子主要是电子，在p型半导体中则主要是空穴。
PN结的形成是通过掺入不同的杂质实现的。
在PN结中，n型半导体与p型半导体之间存在着电场。
当PN结施加正向偏置电压时，电子从n区向p区运动，空穴则从p区向n区运动，形成电流。
这时，PN结处于导通状态。
而当施加反向偏置电压时，电子和空穴被阻止穿越PN结，电流几乎为零，此时PN结处于截止状态。
PN结的特性使其在半导体器件中起到重要的作用。
半导体的导电特性
半导体
本征半导体 杂质半导体
P型半导体(空穴型） N型半导体（电子型）
常用半导体材料硅和锗的原子结构
价电子：最外层的电子受原子核的束缚最 小，最为活跃，故称之为价电子。 最外层有几个价电子就叫几价元素， 半导体材料硅和锗都是四价元素。
Si+14 2 8 4
Ge+32 2 8 18 4
2. 半导体的内部结构及导电方式：
一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
(1) 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层 的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的 电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。
图 01.09 势垒电容示意图
(2) 扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧 面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散 到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形 成正向电流。刚扩散 过来的电子就堆积在P 区内紧靠PN结的附近， 形成一定的多子浓度 梯度。
vi
RL vo
vo
t
例3：设二极管的导通电压忽略，已知
vi=10sinwt(V)，E=5V，画vo的波形。
vi 10v
5v
R
t
D
vo
vi
E
vo
5v
t
例4：电路如下图，已知v=10sin(t)(V)，
E=5V，试画出vo的波形
vi
解：
t
vD
t
例5：VA=3V, VB=0V，求VF (二极管的导 通电压忽略)
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示
V
I IS (e VT 1)
式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降 ，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数 ，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相 当T=300 K），则有VT=26 mV。
半导体和超导体的特点
半导体和超导体的特点半导体和超导体是两种不同类型的材料，它们都在电子和能量传导方面具有很特殊的性质，下面详细介绍它们的特点。
一、半导体的特点1.导电特性：半导体能够在一定条件下表现出良好的导电性能，当半导体中的电子数目增加时，它的导电性能也会相应提升。
2.能带结构：半导体的能带结构独特，其中包含了价带和导带，两者之间有一个带隙。
在带隙范围内，半导体是难以导电的。
3.热激发：半导体可以通过热激发的方式将电子从价带中提取出来，然后进入导带中，使其导电。
4.杂质掺杂：通过掺杂一些杂质元素，可以使半导体导电性发生变化。
n型半导体是通过掺杂五价元素（如磷等）来实现，p型半导体是通过掺杂三价元素（如硼、铝等）来实现的。
5.少数载流子：与金属导电形式不同，半导体的导电是通过少数载流子来实现。
n型半导体电子是载流子，p型半导体空穴是载流子。
二、超导体的特点1.无电阻：超导体的最大特点就是展现出了无电阻状态，电流可以不受电阻和能量损失的限制自由流动。
2.零电阻带：当温度降到超导临界温度以下时，超导体可以形成一条零电阻带，这条带会对电磁波产生反射作用，并导致绕返波的出现。
3.鸣振波：超导体在过渡时通过鸣振波的形式来恢复电阻，当电流超管超过超导体的临界电流时，静态电场会引起振动，从而产生鸣振波。
4.磁场排斥作用：磁场对超导体具有排斥作用，在超导体中，磁场的介入会限制其超导性能。
5.临界温度：超导体的临界温度是它能够表现出超导性的最高温度。
对于高温超导体而言，它们的临界温度要高于-100°C，而对于低温超导体而言，它们的临界温度要低于-100°C。
总体而言，半导体和超导体都是一个致力于推动人类技术进步发挥重要作用的材料。
半导体广泛使用于半导体电子学、信息科技等领域，而超导体则在高速列车、轨道交通等领域有广泛的应用。
随着科技的不断进步，这些材料的应用前景也会更加广阔。
第八讲 半导体的导电性
中国矿业大学 材料科 学与工程学院
杂质半导体的电阻率随温度的变化关系
中国矿业大学 材料科 学与工程学院
第三节 半导体的导电性
半导体材料及其能带 导电机制 PN结 半导体电学性能的测试方法 应用领域
中国矿业大学 材料科 学与工程学院
3. 半导体PN结
PN结和肖特基结是几乎所有半导体元器件的基础。
n
p
外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光
受主
n型半导体 p型半导体
中国矿业大学 材料科 学与工程学院
施主杂质
As+45
掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束 缚，只要很少的能量△ED (0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。 这个电离过程称为杂质电离。
中国矿业大学 材料科 学与工程学院
电子能量
施主能级
禁带宽度对应着红外至可见光波段
应用：通过形成一系列功能器件实现光-电、电-光转 换，应用于太阳能电池、发光二极管等领域。
中国矿业大学 材料科 学与工程学院
我国目前的半导体工业
多晶硅生产及光伏产业 集成电路（晶圆）制造产业 发光二极管（LED）及半导体照明产业
特点：
➢ 规模大，产业链齐全； ➢ 资本投入大； ➢ 原料和生产线依赖进口，产品以出口为主。源自A exp Eg kT
实验测得的 ln与 1/T 之间的关系为一直线。
由直线的斜率即可算出禁带宽度。
❖对温度十分敏感：随着温度的升高，电导 率呈指数增大，与金属正好相反
❖对禁带宽度十分敏感：禁带越宽，电导率
越低
中国矿业大学 材料科 学与工程学院
杂质半导体
半导体的性能是由导带中的电子数和价带中的 空穴数决定的
6-1 半导体的导电特性
6-1 半导体二极管半导体元器件是现代电子技术的重要组成部分，是构成各种电子电路的核心，常用的半导体元器件有二极管、晶体管、场效应管等。
半导体元器件由半导体材料制成，因此，学习电子技术应首先了解半导体材料的特性，这将有助于对半导体元器件的学习、掌握和应用。
6-1-1 半导体的导电特性1. 半导体的导电机理导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、硼、砷、铟等，他们的电阻率在10-3～107欧.厘米。
绝对纯净的硅、锗、磷、砷、硼、铟叫做本征半导体。
（1）本征半导体及特点半导体材料的广泛应用，并不是因为它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，而是它们具有一些重要特性：1）当半导体受到外界光和热的激发（本征激发）时，其导电能力发生显著的变化；2）若在本征半导体中加入微量的杂质（不同的本征半导体）后，其导电能力显著的增加；半导体的这些特点取决于这类物质的化学特性。
（2）半导体的共价键结构1)半导体的化合价物质的化学和物理性质都与物质的价电子数有密切的关系，半导体材料大都是三、四、五价元素。
硅、锗（四价）、磷、砷（五价）、硼、铟（三价）。
2)化学键物质化学键分离子键、共价键和金属键三种，半导体物质的化学键都属于共价键的晶体结构，同时它们的键长一般很长，故原子核对价电子的束缚力不象绝缘物质那样紧，当价电子获得一定的能量后，就容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4可见半导体中的载流子有两种，即自由电子（●）和空穴(○)。
本征半导体的载流子是由本征激发而产生的，其自由电子与空穴是成对出现，即有一个自由电子，就一定有一个空穴，故称电子空穴对。
由于空穴带正电，容易吸引邻近的价电子来填补，从而形成了共有价电子的运动，这种运动无论从效果上，还是从现象上，都好象一个带正电的空穴在移动，它不同于自由电子的运动，故称之为空穴运动。
物质的导电是靠物体内带电粒子的移动而实现的，这种粒子称作载流子。
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自然界的各种物质就其导电性能来说，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗等，它们的电阻率通常在之间。
半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。
如纯净的半导
体单晶硅在室温下电阻率约为，若按百万分之一的比例
掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为，几乎降低了一百万倍。
半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。
1.1.1 本征半导体
图1.1.1 硅原子的简化模型
常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。
所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。
非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。
1.本征半导体的原子结构
半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图1.1.1所示。
它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。
通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。
惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。
2.本征激发
在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。
每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构，如图1.1.2所示。
图 1.1.2 本征硅共价键结构
一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，将这种物理现象称作为本征激发。
理论和实验表明：在常温（T＝300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能E G（＝1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。
本征锗的电离能更小，只有0.72eV。
当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。
当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。
价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。
为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。
在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。
当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。
在一定温度条件下，产生的“电子—空穴对”和复合的“电子—空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。
可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也
是半导体与导体导电方式的不同之处。
[1] [2]。