1.1 半导体基础知识
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1.1半导体基础知识
1.1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的伏安特性 五、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－ －－铁 铜等金属元素等低价元素， 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，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。 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等， －－惰性气体 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强， 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－ －－硅 ）、锗 ），均为四价元素 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 ）、 ），均为四价元素， 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 是纯净的晶体结构的半导体。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？ 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
半导体的导电机理不同于其它物质， 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 的导电机理不同于其它物质 具有不同于其它物质的特点。例如： 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。 它的导电能力明显变化。
说明： 说明：
PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。 两部分。 一般来说，当二极管正向偏置时， 一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要 作用，即可以认为 Cj ≈ Cd； 作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj ≈ Cb。 Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法， 值都很小， 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。 有些结面积大的二极管可达几百皮法。
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的伏安特性 五、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－ －－铁 铜等金属元素等低价元素， 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，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。 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等， －－惰性气体 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强， 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－ －－硅 ）、锗 ），均为四价元素 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 ）、 ），均为四价元素， 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 是纯净的晶体结构的半导体。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？ 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
半导体的导电机理不同于其它物质， 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 的导电机理不同于其它物质 具有不同于其它物质的特点。例如： 具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时， 当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。 它的导电能力明显变化。
说明： 说明：
PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。 两部分。 一般来说，当二极管正向偏置时， 一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要 作用，即可以认为 Cj ≈ Cd； 作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用， 当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj ≈ Cb。 Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法， 值都很小， 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。 有些结面积大的二极管可达几百皮法。
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1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某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，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某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，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
半导体基础知识
D
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
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
常用半导体器件
1.特点：非线性
I
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N 反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
正向特性
P+ – N
导通压降
硅0.6~0.8V 锗0.1~0.3V
U
硅管0.5V, 开启电压
锗管0.1V。
外加电压大于开启 电压二极管才能通。
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
P接正、N接负
动画
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
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PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
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一、本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压， 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
1.1 半导体基础知识
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
半导体基础知识 二极管 晶体管 场效应晶体管 半导体器件技能训练
诚信
善思
崇德
励志
1.1 半导体基础知识
1.1 .1 半导体特点 1.1.2 PN结的单向导电性
诚信
善思
崇德
励志
1.1.1 半导体特点
一、物质根据其导电性能的不同可分为三大类 1、导体
容易导电、电阻率小于10-4Ω /cm的物质，例如金、银、 铜、铝、铁银等金属材料；
一、PN结的形成——多子扩散
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动
诚信
善思
崇德
励志
1.1.2 PN结的单向导电性
一、PN结的形成——少子漂移
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动，利于少子漂移 诚信 善思 PN结对外呈电中性
3、掺杂特性
半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化； 在材料硅中， 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一
诚信 善思 崇德 励志
1.1.1 半导体特点
三、 本征半导体
纯净的、结构排列整齐的半导体晶体称为本征半导体。
硅和锗的原子结构 简化模型
硅和锗的晶体结构
诚信 善思 崇德 励志
崇德
励志
1.1.2 PN结的单向导电性
二、PN结的单向导电性
PN结外加正偏电压导通
PN结外加反偏电压截止
诚信
善思
崇德
励志
1.1.1 半导体特点
1、两种载流子——自由电子与空穴
硅和锗的晶体结构
热激发产生的自由电子和空穴
半导体基础知识 二极管 晶体管 场效应晶体管 半导体器件技能训练
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1.1 半导体基础知识
1.1 .1 半导体特点 1.1.2 PN结的单向导电性
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1.1.1 半导体特点
一、物质根据其导电性能的不同可分为三大类 1、导体
容易导电、电阻率小于10-4Ω /cm的物质，例如金、银、 铜、铝、铁银等金属材料；
一、PN结的形成——多子扩散
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动
诚信
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1.1.2 PN结的单向导电性
一、PN结的形成——少子漂移
PN结特点： 多子被耗尽 剩余不能移动的带电离子 存在内电场，且阻碍多子运动，利于少子漂移 诚信 善思 PN结对外呈电中性
3、掺杂特性
半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化； 在材料硅中， 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一
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1.1.1 半导体特点
三、 本征半导体
纯净的、结构排列整齐的半导体晶体称为本征半导体。
硅和锗的原子结构 简化模型
硅和锗的晶体结构
诚信 善思 崇德 励志
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1.1.2 PN结的单向导电性
二、PN结的单向导电性
PN结外加正偏电压导通
PN结外加反偏电压截止
诚信
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1.1.1 半导体特点
1、两种载流子——自由电子与空穴
硅和锗的晶体结构
热激发产生的自由电子和空穴
第1章-半导体器件基础
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
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。
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。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
ui
ui
RL
uo
t
uo t
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR RL
uR
t
uo t
uo
t
1.2.5 稳压二极管
-
曲线越陡， I
电压越稳
定。
+
UZ
稳压
动态电阻： 误差
r U Z
Z
I Z
rz越小，稳 压性能越好。
UZ
IZ
U IZ IZmax
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ
（2）电压温度系数U（%/℃）
基区空穴
向发射区
的扩散可
忽略。
B
进 少入部P分区与R的基B 电区子的
空穴复合，形成
电流IBEE，B 多数
扩散到集电结。
C
N
第1章半导体器件
外电场
形成的电流，故反向电流
非常小，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的 少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无 关，这个电流也称为反向饱和电流。
PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电 情况
图01.07 PN结加正向电压 时的导电情况
因五价杂质原子中四 个价电子与周围四个 半导体原子中的价电 子形成共价键，多余 的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形 成自由电子。
热激发产生 的自由电子
掺杂磷产生 的自由电子
Si
SPi
Si
Si
Si
Si
•掺杂磷产生的自由电子数 〉〉热激发产生的自由电子数
•N型半导体中自由电子数 〉〉空穴数
•自由电子为 N型半导体的多数载流子（简称多）， 空穴为N型半导体的少数载流子（简称少子）
N型半导体简化图
多 子
Si
P
Si
Si
Si
Si
空
间
电
荷
l P型半导体：
往本征半导体中掺杂三价杂质硼形成的杂质半导体, P 型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电 子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电 子，使杂质原子成为负离子。因而也称为受主杂质。
Si
B
Si
Si
Si
Si
热激发产生 的空穴
T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n= 5×1016/cm3
本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3
1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的特性自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
[下一页]半导体的特性硅原子的序数是14、原子核外有14个电子，最外层有4个电子，称为价电子，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。
[下一页]1.1.2 本征半导体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。
一般来说，共价键中的价电子不完全像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，这种物理现象称作为本征激发，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”。
如图所示。
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。
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第一章 半导体基础与P-硅原子
硅：四价元素 原子最外层有4 个电子 在硅晶体中每个原子有4 个相邻原子 相邻原子共有两个价电子 形成稳定的8 电子壳层
能带间隙
半导体的能带间隙是指使电子从束缚态到自由态 （可参与导电）所需的最小能量。
平衡载流子浓度：无附加偏压的情况下导带和价带 上载流子的数目
n0p0=ni2 室温下 ni=1x1010cm-3
硅的禁带宽度 1.12 eV
本征载流子
本征载流子：因热激发将载流子从价带激发到导带， 而在两带中留下的自由载流子，电子与空穴。
本征半导体：没有引入任何杂质而导致载流子浓度 发生变化。
掺杂
磷原子(P) => 多数载流子：电子 => N型 硼原子(B) => 多数载流子：空穴 => P型
平衡载流子浓度
硅：四价元素 原子最外层有4 个电子 在硅晶体中每个原子有4 个相邻原子 相邻原子共有两个价电子 形成稳定的8 电子壳层
能带间隙
半导体的能带间隙是指使电子从束缚态到自由态 （可参与导电）所需的最小能量。
平衡载流子浓度：无附加偏压的情况下导带和价带 上载流子的数目
n0p0=ni2 室温下 ni=1x1010cm-3
硅的禁带宽度 1.12 eV
本征载流子
本征载流子：因热激发将载流子从价带激发到导带， 而在两带中留下的自由载流子，电子与空穴。
本征半导体：没有引入任何杂质而导致载流子浓度 发生变化。
掺杂
磷原子(P) => 多数载流子：电子 => N型 硼原子(B) => 多数载流子：空穴 => P型
平衡载流子浓度