半导体的基础知识
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
设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V
VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
A BY 0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
A BY 0 00 0 11 1 01 1 11
二极管构成的门电路的缺点
• 电平有偏移 • 带负载能力差
第三章 门电路
3.1 概述 • 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如
与门、与非门、或门 ······
门电路中以高/低电平表 示逻辑状态的1/0
获得高、低电平的基本原理
高/低电平都允许有 一定的变化范围
正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1
3.2半导体二极管门电路
T1 , T2同时导通
若T1 , T2参数完全对称，VI
1 2
VDD时，VO
1 2 VDD
三、输入噪声容限
在VI 偏离VIH 和VIL的一定范围内，VO 基本不变； 在输出变化允许范围内，允许输入的变化范围称为输入噪声容限
VNH VOH(min) VIH (min) VNL VIL(max) VOL(max)
• 硅管，0.5 ~ 0.7V • 锗管，0.2 ~ 0.3V
• 近似认为:
• VBE < VON iB = 0 • VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
iB
VBB VBE Rb
三极管的输出特性
• 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
iC f (VCE )
iC f (VCE )
三、双极型三极管的基本开关电路
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
半导体基础知识
结电容： C j Cb Cd
清华大学 华成英 hchya@
§2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
导通电压
0.6~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
开启电压
0.5V 0.1V
反向饱和电流
1µA以下 几十µA
从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性 u i IS (eU T 1) 正向特性为
指数曲线
若正向电压 UT，则i ISe u
u UT
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
二、杂质半导体
1. N型半导体
多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。
一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u )
i IS (e
u UT
1)
(常温下 UT 26m ) V
材料
硅Si 锗Ge
半导体基础知识
符号
1
+ W78XX +
2
_
3
_
W79XX
1 2
3
1.6.3 W78XX、W79XX系列 集成稳压器的使用方法
一、 组成输出固定电压的稳压电路
1. W78XX系列
+
1
W78XX
Co
2
+
Uo = 12V
改善负载 的暂态响 应,消除 高频噪声
注意 3 Ui 输入 Ci 电压 极性 抵消输入 长接线的 电感效， 防止自激 Ci : 0.1~1F
IR + +
R UR
IL
IZ RL
2、引起电压不 稳定的原因
UI
电源电压的波动 负载电流的变化
DZ
稳压二极管
+ UL
将微小的电压变化转 换成较大的电流变化
三端稳压器封装及电路符号
封装
塑料封装
金属封装
79LXX
W7805 1 3 2
W7905 1 3 2
78LXX
1
2
3
UI GND UO GND UI UO
空穴
负离子
电子
正离子
一、载流子的浓度差引 N型材料 起多子的扩散扩散使 交界面处形成空间电 荷区（也称耗尽层）
内电场方向
二、空间电荷区特点
基本无无载流子，仅 有不能移动的离子
三、扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流= 漂移电流 总电流=0 利于少子的漂移
形成内电场
阻止多子扩散进行
1.2.2 PN结的单向导电性
外界条件决定半导体内部 载流子数量
三、本征半导体： 纯净的半导体
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半导体的基础知识
半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，是由半导体材料制造而成的。
为了能够更好的了解半导体器件的性能，有必要先了解一些半导体材料的基本性质。
1.物质的分类
自然界有很多不同种类的物质。
这些物质按照导电性强弱来分类，大致可以分为三类：导体、半导体和绝缘体。
导体是很容易导电的物质，例如铜和铝等等；绝缘体是几乎不能导电的物质，比如塑料、橡胶、玻璃等；而半导体的导电能力是介于导体和绝缘体之间的这样一类物质。
常用的半导体材料有硅、锗等。
其中，硅是目前最常用的一种半导体材料。
2.半导体导电的特性
半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同以外，它还具有不同于其他物质的特点。
例如：当半导体受到外界光和热的刺激时，其导电能力将发生显著的变化；在纯净的半导体中加入某种特定的微量杂质，其导电能力也会有显著的增加。
这些特点说明，半导体导电的机制一定和导体、绝缘体不同。
为了更好的理解这些特点，就必须了解半导体的结构。
3.半导体的内部结构
在电子器件中，用得最多的半导体材料就是硅和锗，它们都是四价元素；半导体内部的原子具有严格的晶体结构，原子之间形成有序的排列，每个硅原子周围和四个相邻的硅原子以共价键相连接，形成共价键的这一对电子就称为“价电子”。
通常情况下，共价键对价电子的束缚能力很强，绝大多数价电子被束缚在共价键中而不能自由移动，所以半导体的导电性能较差。
在绝对零度下，纯净的半导体内部所有的价电子都被共价键所束缚，在半导体内部没有可以自由导电的带电粒子，所以此时半导体是没有导电能力的；在本征激发时，半导体才会具有导电能力。
下面，我们来学习什么是本征激发。
4.本征激发
首先来学习几个概念。
（1）本征半导体：我们把结构完整、完全纯净的半导体晶体称为本征半导体。
（2）激发：半导体晶体内部共价键中的价电子由于获得足够的能量而挣脱掉共价键的束缚成为自由电子的过程称为“激发”。
（3）载流子：可以自由移动的带电粒子称为“载流子”。
本征激发的物理过程：
在绝对零度和没有外界激发的条件下，由于每个原子的外围电子都被共价键所束缚，所以对电流的形成没有作用。
但是，半导体内共价键的价电子绝缘体中束缚的那么紧，在室温下，一些价电子就会获得足够的热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。
这种现象就称为“本征激发”。
当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子以后，共价键中就留下一个空位，这个空位叫做“空穴”。
空穴的出现时半导体区别于导体的一个重要特点。
由于共价键中出现了空穴，在外电场或其他能量作用下，临近的价电子就可以填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，其他电子又可以转移到这个空位上，这样就相当于出现的电荷的迁移。
因此在分析半导体导电过程的时候，用空穴的运动来代替共价键中电子的运动更为方便，在这里可以把空穴看成是一个带正电的粒子，可以和自由电子一样参与导电。
因此空穴也是半导体中的一种载流子。
总结一下本征激发的过程：T↑→价电子获得足够能量→挣脱共价键束缚→自由电子↑→空穴↑结论：在本征半导体内，本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，是电子-空穴对，且载流子的数量与温度等外界条件有关。
5.杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的变化。
根据掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为两种：N型杂质半导体和P型杂质半导体。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。
（1）P型杂质半导体---教材
（2）N型杂质半导体---教材
本次课小结
典型例题讲解
1．N型半导体中的多数载流子是（）。
A．空穴B．自由电子C．施主离子D．受主离子
【答案】B
【解析】N型半导体是在纯净半导体材料中掺入五价杂质元素得到的，由于半导体材料原子是四价的，每掺入一个杂质原子，就会带来一个不受共价键束缚的自由电子，导致半导体中自由电子数量远远多于空穴数量，所以自由电子是N型半导体中的多数载流子。
施主离子和受主离子是由杂质原子失去或得到一个电子而形成的不可移动的空间电荷，不是载流子。
2．在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于（）。
p5
A．温度B．光照C．掺入杂质的数量D．本征激发的程度
【答案】C
【解析】杂质半导体中多数载流子主要是由于掺入三价元素或五价元素而产生的，虽然本征激发也会产生一些载流子，但数量远远小于掺杂所产生的载流子的数量。
3．杂质半导体中的少数载流子的浓度取决于（）。
p5
A．掺杂浓度B．制造工艺C．晶体结构D．温度
【答案】D
【解析】在杂质半导体中，少数载流子完全由本征激发产生，其浓度取决于半导体中本征激发的剧烈程度；温度是影响本征激发的剧烈程度的主要因素，故杂质半导体中的少数载流子的浓度取决于温度。
4．【答案】C
【解析】本征激发是指在半导体内由温度等因素引起的共价键中的束缚电子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穴的过程。
在本征激发中，电子和空穴总是成对出现的。
5．【答案】A
【解析】掺入三价杂质，可造成半导体内空穴数量急剧增加，这种类型的杂质半导体称为P型杂质半导体。
6．【答案】B
【解析】在N型杂质半导体中，电子数量多，是多数载流子；空穴数量少，是少数载流子。