半导体基本知识
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。
半导体基础知识
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压，耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求：
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压，反 向电流很小； 当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大，即饱和；
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
半导体的基本知识
第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN 结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。
半导体器件是构成电子电路的基础。
半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。
顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。
1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
通常将很容易导电、电阻率小于410-Ω•cm 的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω•cm 的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在410-Ω•cm ～1010Ω•cm 范围内的物质，称为半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。
1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。
半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。
例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1／2。
而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10℃时，它的电阻率几乎不变。
2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。
一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。
自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。
而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。
3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。
在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之—。
半导体基础知识
第一章、半导体器件
1、为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？
制成本征半导体是为了讲自然界中的半导体材料进行提纯，然后人工掺杂，通过控制掺杂的浓度就可以控制半导体的导电性，以达到人们的需求
2、为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？
导致半导体性能温度稳定性差的主要原因有二：β
（1）禁带宽度与温度有关（一般，随着温度的升高而变窄）；（2）少数载流子浓度与温度有关（随着温度的升高而指数式增加）。
多子。
3、为什么半导体器件有最高工作频率？
这是因为半导体器件的主要组成单元是PN结，PN结的显著特征是单向导电性，因为PN结的反向截止区是由耗尽层变宽导致截止，而这个过程是需要一定的时间的，如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成PN结失去单向导电性，导致半导体器件不能正常工作，所以半导体器件有最高工作频率的限制。
4、整流，是指将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这正变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。
5、为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？
虽然集电结是反偏的，虽然基极是开路的，但是，晶体管芯，是块半导体材料。
半导体材料，又不是绝缘体，加上电压，就有微弱的电流，这很正常。
从集电区向基区出现的“反向饱和电流Icbo”，在基极没有出路，就流向发射极了。
这一流动，就形成了一个Ib。
这个Ib，就引出了一个贝塔倍的Ic; 这个Ib和Ic之和，就是穿透电流Iceo，等于(1+贝塔)Icbo。
6、
展开。
半导体基础知识
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电
流为Izmax 。
i
I zmax
U ZW RL
25mA
1.2ui iR U zW 25R 10
——方程1
(1-37)
令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电 流为Izmin 。
i
iL
+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。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
R
ui
DZ
iZRL uo
i
I
zm in
U ZW RL
10mA
0.8ui iR U zW 10R 10
——方程2
联立方程1、2，可解得：
ui 18.75V, R 0.5k
(1-38)
1.3.2 光电二极管
反向电流随光照强度的增加而上升。
I U
照度增加
(1-39)
1.3.3 发光二极管
有正向电流流过 时，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，它的电特性与 一般二极管类似。
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
半导体的基本知识
半导体的基本知识半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
半导体的电性质可以通过施加电场或光照来改变，这使得半导体在电子学和光电子学等领域有广泛的应用。
以下是关于半导体的一些基本知识：1. 基本概念：导体、绝缘体和半导体：导体（Conductor）：电导率很高，电子容易通过的材料，如金属。
绝缘体（Insulator）：电导率很低，电子很难通过的材料，如橡胶、玻璃。
半导体（Semiconductor）：电导率介于导体和绝缘体之间的材料，如硅、锗。
2. 晶体结构：半导体通常以晶体结构存在，常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。
3. 电子能带：价带和导带：半导体中的电子能带分为价带和导带。
电子在价带中，但在施加电场或光照的作用下，电子可以跃迁到导带中，形成电流。
能隙：价带和导带之间的能量差称为能隙。
半导体的能隙通常较小，这使得它在室温下就能够被外部能量激发。
4. 本征半导体和杂质半导体：本征半导体：纯净的半导体材料，如纯硅。
杂质半导体：在半导体中引入少量杂质（掺杂）以改变其导电性质。
掺入五价元素（如磷、砷）形成n型半导体，而掺入三价元素（如硼、铝）形成p型半导体。
5. p-n 结：p-n 结：将p型半导体和n型半导体通过特定工艺连接在一起形成p-n 结。
这是许多半导体器件的基础，如二极管和晶体管。
6. 半导体器件：二极管（Diode）：由p-n 结构构成，具有整流特性。
晶体管（Transistor）：由多个p-n 结构组成，可以放大和控制电流。
集成电路（Integrated Circuit，IC）：在半导体上制造出许多微小的电子器件，形成集成电路，实现多种功能。
7. 半导体的应用：电子学：微电子器件、逻辑电路、存储器件等。
光电子学：光电二极管、激光二极管等。
太阳能电池：利用半导体材料的光伏效应。
这些是半导体的一些基本知识，半导体技术的不断发展推动了现代电子、通信和计算机等领域的快速进步。
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
28
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
5
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
33
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
21
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
22
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。
半导体知识点总结
半导体知识点总结半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，它具有一些特殊的电子性质，因此在现代电子技术中具有重要的应用。
本文将对半导体的基本概念、特性、原理以及应用进行详细的介绍和总结。
一、半导体的基本概念1、半导体材料半导体材料是一类电阻率介于导体和绝缘体之间的材料，它具有一些特殊的电子能带结构。
常见的半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)、GaAs等。
2、半导体的掺杂半导体材料经过掺杂后，可以改变其电子结构和导电性质。
常见的掺杂有N型和P型两种类型，分别通过掺入杂质原子，引入额外的自由电子或空穴来改变半导体的导电性质。
3、半导体的结构半导体晶体结构通常是由大量的晶格排列组成，具有一定的晶格参数和对称性。
在半导体器件中，常见的晶体结构有晶体管、二极管、MOS器件等。
二、半导体的特性1、能带结构半导体的能带结构是其特有的性质，它决定了半导体的导电性质。
半导体的能带结构通常包括价带和导带，其中价带中填充电子的能级较低，而导带中电子的能级较高，两者之间的能隙称为禁带宽度。
2、电子迁移和载流子在外加电场的作用下，半导体中的自由电子和空穴可以在晶体内迁移，并形成电流。
这些移动的载流子是半导体器件工作的基础。
3、半导体的导电性半导体的导电性是由自由电子和空穴共同贡献的，通过掺杂和外加电场的调制，可以改变半导体的导电性。
三、半导体的原理1、P-N结P-N结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体组成。
P-N结具有整流、放大、开关等功能，是二极管、光电二极管等器件的基础。
2、场效应器件场效应器件是一类利用外加电场控制半导体导电性质的器件，包括MOS场效应管、JFET场效应管等。
场效应器件具有高输入电阻、低功耗等优点，在数字电路和模拟电路中得到广泛应用。
3、半导体光电器件半导体光电器件是一类利用光电效应将光能转化为电能的器件，包括光电二极管、光电导电器件等。
光电器件在光通信、光探测、光伏等领域有着重要的应用。
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五、PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。
(1) 势垒电容Cb
表征耗尽层内电荷量的变化。
(2)扩散电容Cd 表征耗尽层外中性区(P区和N区)内电荷量的变化。
(1) 势垒电容Cb
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电 相同，其等效电容称为势垒电容Cb。
当PN结外加正向电压，且u >>UT时，
qu kT
即i随u按指数规律变化；
当PN结外加反向电压，且| u |>> UT时，
当反向电压超过一定数值后， 反向电流急剧增加，称为反向 击穿。 击穿：齐纳击穿、雪崩击穿
①齐纳击穿
掺杂浓度越高，耗尽层宽度窄
不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接 破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空 穴对，致使电流急剧增大。
(2) 扩散电容Cd
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过 程，其等效电容称为扩散电容Cd。 外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面处的非平 衡少子浓度高，而远离交界面的地方浓度低，浓度自 高到低逐渐衰减，直至零。形成一定的浓度梯度（浓 度差），形成扩散电流。
空穴 空间电荷区 耗尽层 电子
P区
内电场
N区
二、 PN结的单向导电性
在 PN结的两端外加电压，破外原来的平衡状态。
①外加正向电压
电源正极接PN结的P端，负极接N端
P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置或正向接法。
②外加反向电压 电源负极接PN结的P端，正极接N端
(1)
PN结加正向电压时的导电情况
∴齐纳击穿电压较低，一般低于4V ②雪崩击穿 掺杂浓度较低，耗尽层宽度宽
低电压下不会发生齐纳击穿，当反向电压增加到较大数值 时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中 的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子—空穴 对，新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其它价电子， 载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加。
多余电子 正离子
+4 +5
+4
常温下，热激发
施主原子
+4
自由电子
杂质原子可以提供电子，称之为施主原子。
N型半导体中的电子产生：
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由 电子浓度远大于空穴浓度，主要靠自由电子导电。 注：掺入杂质的浓度不同，导电性不同
第一章 常用的半导体器件
1.1 半导体基础知识
①导体：非常容易导电 一般金属都是导体
结构：低价元素，最外层电子少于4个 其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
基本不导电 如：橡胶、陶瓷、塑料等 ②绝缘体：
高价元素，原子的最外层电子受原子核的束缚力很强
③半导体： 导电性能介于导体和绝缘体之间 常用的硅、锗均为四价元素
雪崩击穿电压一般大于6V
击穿电压介于4V~6V，齐纳击穿和雪崩击穿有可 能同时发生。
PN结的击穿并不意味着损坏，但是若不对电流加以 限制都均可能造成PN结的永久损坏。 当反向电压增加使PN结刚开始击穿时，反向电流还不大， 此时若降低反向电压，PN结仍能正常工作。（电击穿） 当电击穿后，继续提高反向电压，流过PN结的反向电 流增大到一定值，会使PN结因过热而损坏。（热击穿）
EGO (2 kT )
ni pi K1T e
3 2
T=0K，自由电子与空穴的浓度均为零，本征半导体为绝缘体。
本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入掺入少量合适的杂质元素
一、N型半导体 掺入五价元素（如磷）
杂质原子最外层有五个价电子，除了与其它硅原子形 成共价键，还多出一个电子。
空穴带正电
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。
半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为 本征激发。
本征半导体外加电场： ①自由电子定向移动，形成电子电流 ②价电子依次填补空穴，空穴定向移动，形成空穴电 流 本征半导体电流是两个电流之和。 本征半导体中有两种载流子，自由电子和空穴均参与导电。
∴ N型半导体中：自由电子为多数载流子（多子），空
穴为少数载流子（少子）。
二、P型半导体
掺入三价元素（如硼） 杂质原子最外层有三个价电子，与周围原子形成共 价键会形成空位。
硅原子的外层电子来填补空位，在共价键中产生空穴。
受主原子
+4
+4
空穴
+3
+4
P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。
杂质半导体简化模型
1.1.1 本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体材料是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。
硅和锗的晶体结构
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。即本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
一、本征半导体的晶体结构
晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，它们分别与 周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为 这些原子所共有，并为它们所束缚，形成本征半导体的共价 键结构。
外加正向电压增大，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度 增大。从外部看即正向电流（扩散电流）增大。
扩散电容示意图
(3) 结电容Cj
PN结的结电容Cj是Cb与Cd之和，即：
Cj= Cb +Cd
PN结加正向电压时的导电情况如图所示。 外加的正向电压方向 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。 扩散电流源源不断进 行，形成正向电流，PN 结导通。
(2)PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了 内电场。内电场阻止扩散运动进行，加剧漂移运动，形成 反向电流。
i I S (e kT 1)
IS—反向饱和电流，q—电子的电量 k—玻尔兹曼常数，T—热力学温度 令UT=kT/q，则得：
u UT
i I S (e
1)
常温下，即T=300K时，UT≈26mV。四、PLeabharlann 结的伏安特性i I S (e
qu kT
1)
i IS e
i ≈- I S
交界面处自由电子 与空穴复合
形成内电场，由N区指向P区。
促使少子漂移 阻止多子扩散
最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡 P型半导体和N型半导体结合面，形成PN结。
动画：PN结的形成
漂移运动
P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 空间电荷区
+4
+4表示除去价 电子后的原子
+4
共价键共 用电子对
+4
+4
常温下价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，本征半导体的导电能力很弱。 温度升高或受到光的照射时，有的价电子可以挣脱原子 核的束缚，而参与导电，成为自由电子。
空穴
+4
+4
自由电子(带负电） 原子带正电
+4
+4
负电子 （受主原子） 空穴 空 穴 自由电子 正电子 （施主原子）
自由电子
P型半导体
N型半导体
1.1.3 PN结
一、PN结的形成 将P型半导体和N型半导体制作在同一硅片上
在P型半导体和N型半导体的交界面处，两种载流子 的浓度差很大，载流子进行扩散运动。
P区的空穴向N区扩散
N区的电子向P区扩散 P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能 移动的，称为空间电荷区。
漂移运动使空间电荷 区逐渐变窄
内电场EN型半导体 + + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
扩散运动使空间电荷 扩散运动 区逐渐变宽
当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度 和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩 散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生 的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流 过PN结的电流为0。 扩散电流等于漂移电流，PN结内没有电流流过。
思考题： 1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
2. 在杂质半导体中少子的数量与 b 。 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多） 。
三、PN结的电流方程
理论分析表明：PN结所加端电压u与流过它的电流i的 qu 关系为：
特殊性质
电子空穴对D:\模电\第1章 常用半 导体器件\动画\电子空穴对的产 生.avi的产生
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
二、本征半导体中载流子的浓度
一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的， 且自由电子与空穴的浓度相等。 温度升高，热运动加剧，自由电子增多，空穴也随 之增多，即载流子的浓度升高，导电性能增强。 本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。