半导体器件基础
半导体器件基础
半导体器件基础半导体器件是现代电子技术中极其重要的组成部分，它们广泛应用于电子设备和通信系统中。
本文将介绍半导体器件的基础知识，包括半导体材料、PN结、二极管、晶体管和集成电路。
一、半导体材料半导体器件的核心是半导体材料。
半导体材料是介于导体和绝缘体之间的材料，它的导电性能在室温下较低，但在特定条件下可被控制增强。
常见的半导体材料有硅和锗。
半导体材料的导电特性取决于其原子晶格的结构和杂质的掺入。
二、PN结PN结是半导体器件中常见的结构之一。
它由一个掺杂有三价杂质的P区和一个掺杂有五价杂质的N区组成。
在PN结中，P区的杂质原子会释放出空穴，而N区的杂质原子则释放出电子。
当P区和N区相接触时，空穴和电子将发生复合，形成电势垒。
这种电势垒在正向偏置和反向偏置下表现出不同的特性。
三、二极管二极管是最简单的半导体器件之一。
它由PN结组成，具有两个引线，分别为阴极和阳极。
二极管可用于整流、开关和发光等应用。
在正向偏置下，电流可以顺利通过二极管；而在反向偏置下，电流将被截断。
四、晶体管晶体管是半导体器件的一种重要类型。
它由三个掺杂不同的区域组成，分别为发射极、基极和集电极。
晶体管可用于放大、开关和振荡等电路中。
具体而言，当有电流流经基极时，晶体管将放大电流，并将其从发射极传递到集电极。
五、集成电路集成电路是将大量的半导体器件和电子元件集成在单个芯片上的技术。
它是现代电子技术发展的重要里程碑，使得电子设备更小、更强大。
集成电路分为两种主要类型：模拟集成电路和数字集成电路。
模拟集成电路用于处理连续变化的信号，而数字集成电路则用于处理离散的数字信号。
综上所述，半导体器件作为现代电子技术的基础，具有广泛的应用前景。
通过了解半导体材料、PN结、二极管、晶体管和集成电路等基础知识，我们可以更好地理解和应用半导体器件，推动电子技术的进步和创新。
半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
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。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
半导体器件基础
半导体器件基础一、引言半导体器件是现代电子技术的基础，广泛应用于通信、计算机、消费电子等各个领域。
本文将对半导体器件的基础知识进行介绍，包括半导体材料、PN结、二极管和晶体管。
二、半导体材料半导体器件的制作材料主要是硅（Si）和锗（Ge）。
这两种材料的原子结构中，外层电子数与内层电子数相差较小，使得它们具有较好的导电性能。
此外，硅和锗还具有稳定的化学性质和较高的熔点，适合用于制作半导体器件。
三、PN结PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
它由一个P型半导体和一个N型半导体组成。
在PN结中，P型半导体中的空穴（正电荷）和N型半导体中的电子（负电荷）会发生扩散，形成空间电荷区。
空间电荷区中的电荷分布形成了电场，使得PN结两侧形成了正负电势差。
当外加电压使得PN结正向偏置时，空间电荷区变窄，电流可以通过；当外加电压使得PN结反向偏置时，空间电荷区变宽，电流无法通过。
PN结的这种特性使其成为二极管和晶体管等器件的基础。
四、二极管二极管是一种最简单的半导体器件，由PN结组成。
二极管具有只能单向导通电流的特性，即正向偏置时电流可以通过，反向偏置时电流无法通过。
二极管广泛应用于电路中的整流、限流和保护等功能。
五、晶体管晶体管是一种三层PN结的器件，由发射极、基极和集电极构成。
晶体管的工作方式取决于PN结的偏置状态。
当PN结适当偏置时，发射极和集电极之间的电流受到基极电流的控制。
晶体管可以放大电流和信号，广泛应用于放大器、开关和逻辑电路等领域。
六、其他半导体器件除了二极管和晶体管，半导体器件还包括场效应晶体管（FET）、可控硅（SCR）等。
FET是一种基于电场控制的器件，具有高输入阻抗和低噪声的特点，适用于放大和开关电路。
SCR是一种具有双向导通特性的器件，广泛应用于交流电控制领域。
七、结论半导体器件基础知识对于理解和应用现代电子技术至关重要。
本文介绍了半导体材料、PN结、二极管和晶体管等基本概念。
通过深入学习和理解半导体器件的基础知识，我们可以更好地应用和创新电子技术，推动科技进步和社会发展。
半导体器件基础
IF（多子扩散） 反向饱和电流 反向击穿电压 正偏
反偏 反向击穿 IR（少子漂移）
电击穿——可逆
2019年1月14日星期一5时11 分50秒
热击穿——烧坏PN结
11
根据理论分析：
i I S (e
u
UT
1)
T
UT =kT/q 称为温度的电压当量 u U 当 u>0 u>>UT时 e 1 其中k为玻耳兹曼常数 u 1.38×10－23 i I Se U T －9 q 为电子电荷量 1.6 × 10 u 当 u<0 |u|>>|U T |时 e U T 1 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） i IS 则有UT=26 mV。
3
－
E
+4 +4 +4
＋
自由电子
4、导电机制
+4 +4 +4
+4
自由电子 载流子 空穴 带负电荷 带正电荷
+4
电子流
+4
空穴流
＋
=总电流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
2019年1月14日星期一5时11 分50秒 4
二. 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为 杂质半导体。 硅原子
△I
I z ma x
△U
27
稳压二极管的主要 参数 (1) 稳定电压UZ ——
在规定的稳压管反向工作电流IZ下 ，所对应的反向工作电压。
UZ
i
(2) 动态电阻rZ ——
陡。
I z min
△I
第7章 半导体器件基础
7.3 晶体管
图7-������
16
晶体管的安全工作区
3)集电极-发射极反向击穿电压U（BR)CEO，是指当基极开路时，
7.3 晶体管
集电极-发射极间允许加的最高反向电压，通常比U(BR)CBO小一些。 (3) 集电极最大允许耗散功率PCM 由于集电极电流在流经集电结 时将产生热量，使结温升高，从而引起晶体管参数变化。
电工与电子技术
主编
第7章 半导体器件基础
7.1 半导体的基础知识
7.2 半导体二极管 7.3 晶体管 7.4 晶闸管
7.1 半导体的基础知识
1)热敏性：半导体对温度很敏感，随着温度的升高，其导电能力 大大增强。 2)光敏性：半导体对光照也很敏感，当受光照射时其导电能力大
大增强。 3)掺杂性：半导体对“杂质”很敏感，掺杂以后导电能力大大增 强。 7.1.1 本征半导体
7.2 半导体二极管
2)反向电压增加到一定数值时(如曲线中的C点或C′点)，反向电流 急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时对应的电压称为反向击 穿电压，用UBR表示，曲线中CD段(或段)称为反向击穿区。
7.2.3 二极管的主要参数 二极管的参数是反映二极管性能的质量指标，工程上必须根 据二极管的参数，合理地选择和使用二极管。 (1)最大正向整流电流IFM 它是指二极管长期工作时所允许通过的 最大正向平均电流。 (2)最高反向工作电压UFM 它是指二极管工作时所允许加的பைடு நூலகம்高 反向电压，超过此值二极管就有被反向电压击穿的危险。 (3)反向电流IR 它是指二极管未被击穿时的反向电流值。 (4)最高工作频率fM 主要由PN结电容大小决定。
图7-������
12 晶体管电流的实验电路
7.3 晶体管
半导体器件基础
自由电子 带负电荷 电子流
载流子
空穴 带正电荷 空穴流 ＋总电流
6
N型半导体和P型半导体
多余电子
N型半导体
硅原子
【Negative电子】
+4
+4 +4
在锗或硅晶体内
掺入少量五价元素
杂质，如磷；这样
+4
在晶体中就有了多 磷原子 余的自由电子。
+4
+5 +4 +4 +4
多数载流子——自由电子
少数载流子——空穴
不失真——就是一个微 弱的电信号通过放大器 后，输出电压或电流的 幅度得到了放大，但它 随时间变化的规律不能 变。
放大电路是模拟电路中最主要的电路,三极管是 组成放大电路的核心元件。
具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、
手机、扩音器等等。
36
利用三极管组成的放大电路，最常用的接法是：基 极作为信号的输入端，集电极作为输出端，发射极 作为输入回路、输出回路的共同端（共发射极接法）
38
饱和工作状态
调节偏流电阻RP的阻值， 使基极电流充分大时，集电 极电流也随之变得非常大， 三极管的两个PN结则都处于 正向偏置。集电极与发射极 之间的电压很小，小到一定 程度会削弱集电极收集电子 的能力，这时Ｉb再增大， Ｉc也不能相应地增大了， 三极管处于饱和状态，集电 极和发射极之间电阻很小， 相当开关接通。
27
▪ 几种常见三极管的实物外形
大功率三极管
功率三极管
普通塑封三极管
28
▪ 三极管的分类
① 按频率分
高频管 低频管
硅管 ③ 按半导
体材料分 锗管
② 按功率分
第7章 半导体器件基础
PNP型：UE>UB>UC
三极管具有放大作用的测试电路
IC IB V Rb + IE
Rc
+ -
I E IC I B
VBB UBB
-
VCC UCC
I I
C B
进入P区的电子少部分与基区的 空穴复合，形成电流IB ，多数扩 散到集电结。
C B
IB
RB E EB IE
N P N
RC Ec 发射结正
二、PN结的单向导电性 1、外加正向电压 P区接电源正极，N区接电源负极，又称正向偏置。
U
内电场 外电场
U
外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，当外电压增 加到一定值后，正向电流明显增加（P→N），PN结呈现 的电阻很小。形成较大的扩散电流，PN结导通。
2、外加反向电压
U
外电场和内电场共同作用，使耗尽层变宽，阻碍了多子的扩散运动， 而加强了少子的漂移运动，通过PN结的电流（反向电流）由少子的 漂移运动决定 。少子浓度很低，反向电流很小。当反向电压增大时， 反向电流几乎不随外加电压的增大而增大。PN结截止。
（a. 电子电流、b.空穴电流）
7.1.2 PN结
通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形 成P型半导体，另一边形成N型半导体，两种 半导体的交界处就形成PN结。
P区
N区
一、PN结的形成
P区
N区
在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 现多子的扩散运动。
(N区中多子电子向P区扩散并与P区中的空穴复合而消失； P区中的多子空穴扩散到N区，与N区中的自由电子复合而消失)
7.4.2 工作原理
晶体管的两个PN结（发射结、集电结） 加不同的偏置电压，晶体管具有放大、 饱和、截止三种工作状态。
半导体器件基础要点课件
05 半导体器件应用与展望
半导体器件在电子设备中的应用
集成电路
01
半导体器件是集成电路的基础组成部分，用于实现各种逻辑功
能和电路控制。
数字逻辑门
02
半导体器件可以构成各种数字逻辑门，如与门、或门、非门等
，用于实现数字信号的处理和运算。
微处理器和存储器
03
微处理器和存储器是半导体器件的重要应用领域，用于实现计
详细描述
半导体器件可以分为分立器件和集成电路两大类。分立器件 包括二极管、晶体管等，它们主要用于信号放大、转换和控 制。集成电路是将多个器件集成到一个芯片上，实现更复杂 的功能，如运算、存储和处理等。
半导体器件的发展历程
总结词
半导体器件的发展经历了三个阶段，即晶体管的发明、集成电路的诞生和微电子技术的 飞速发展。
包括热导率、热膨胀系数等参数，影 响半导体的散热性能和可靠性。
光学性能
包括能带隙、光吸收系数、光电导率 等参数，影响半导体的光电转换性能 。
03 半导体器件工作原理
PN结的形成与特性
PN结的形成
在半导体中，通过掺杂形成P型和N型半导体，当P型和N型半导体接触时，由 于多数载流子的扩散作用，在接触面形成一个阻挡层，即PN结。
硅基MEMS器件的特点与优势
高度集成
硅基MEMS器件可以在微米尺 度上实现复杂的功能，具有极
高的集成度。
长寿命
硅基材料具有优异的机械性能 和化学稳定性，使得硅基 MEMS器件具有较长的使用寿 命。
低功耗
硅基MEMS器件的功耗较低， 适用于对能源效率要求较高的 应用场景。
可靠性高
硅基MEMS器件的结构简单， 可靠性高，不易出现故障。
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模拟电子技术基础 半导体器件基础
铝金属小球
阳极引线
铝金属铝小小金球球属 外壳 P 触丝 N 型锗片
阳P极阳N引极结线引线 P PNN结结
阳极引线 阳极阳引极线引线
外壳 P 触丝外壳 P 触丝 N 型锗片 引线 引线
点接触型
N 型硅 N N型硅型硅
金锑金合合锑金金 金锑底合座金
底座 阴极引线
P 型Si硅O2 P 型硅 P型硅
反向饱 和电流
缘移开，使空间电荷区变
宽，这有利于少子的形成 反向电流，此时PN结反向 截止，呈高阻态。
内电场方向
R
外电场方向
U
IR
图 2P-N10结P外N结加加反反向向电电压压
总结：PN结外加正向电压时，PN结电阻很小，正向电 流很大，PN结正向导通，电流方向从P型区流向N型区；PN结 外加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很小，近似为零， PN结反向截止。PN结的这种特性称为单向导电性。
+4
+4
+4
掺入
+3
填补
+4
+43
+4
+4
+4
+4
在掺入硼原子
的本征半导体中， 空穴数目远远大 于自由电子数目。
图2-4 本征半导体中空穴和自由电子的运动
模拟电子技术基础 半导体器件基础
2.1.4 PN结及其单向导电性
1 .PN结的形成
利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或锗） 上，一边掺杂成N型半导体，一边形成P型半导体，在扩散运 动和漂移运动的作用下，在两种半导体的交界面就会形成一 个厚度稳定的空间电荷区，这就是PN结。
模拟电子技术基础 半导体器件基础
2.1 半导体基础与PN结
2.1.1 半导体基础及其特性
模拟电子技术基础
热敏性：对温度敏 感，如热敏电阻
半导体器件基础
半导体 的特性
光敏性：对光照敏感， 如光电管、光敏电阻、 光电池
杂敏性：对杂 质敏感，如半 导体器件
模拟电子技术基础 半导体器件基础
2.1.2 本征半导体
2 PN结的单向导电性
a．PN结外加正向电压:P区接电源的正极，N区接电源的负极
P型半导体
PN结
N型半导体
扩散运动>漂移运动，形 成较大的扩散电流，其 方向是由P区流向N区， PN结变窄。随着外加电 压的增大正向电流也增 大，PN结的正向导通。
内电场方向
R
外电场方向
IF
U
图P2N-9结P外N加结加正正向向电电压压
模拟电子技术基础 半导体的二极管型号说明：
半导体器件基础
举例
模拟电子技术基础 半导体器件基础
2.2.2二极管的伏安特性及主要性能参数
1.二极管的伏安特性 a．正向特性
二极管的伏安特性
模拟电子技术基础 半导体器件基础
具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。晶体通常 具有规则的几何形状，在空间中按点阵(晶格)排列。
SSii 硅硅 硅（SSSiii）
GGee 锗（锗GGe）e
++44
简简化化画画法法 本征半导体原子的空间排列
模拟电子技术基础 半导体器件基础
+4
+4
+4
价电子
共价键
+4
+4
+4
硅或锗的 原子核
+4
+4
正向电流包括两部分：空穴电流和自由电子电流。虽然两种 不同极性的电荷运动方向相反，但所形成的电流方向是一致的
模拟电子技术基础 半导体器件基础
b.PN结外加反向电压: P区接电源的负极、N区接电源的正极
漂移运动>扩散运动，外电 场使得P区的空穴和N区的 自由电子从空间电荷区边
P型半导体
PN 结
N型半导体
a.扩散运动
多子
少子
多子
少子
由于浓度的差异
形成的载流子运动称 为扩散运动。扩散运 动是多子的运动。
硼负离子
P型半导体
N 型半导体
空穴
自由电子
图 2-7 多数载流子的扩散运动
模拟电子技术基础 半导体器件基础
b.内电场的形成 多子
多子扩散到交界面附近 时，自由电子 Nhomakorabea空穴复合， 留下不能移动的带电离子， 带正、负电的离子形成了空 间电荷区的内电场。
+4
本图征2半-2导共体价原键 子平结面构结示构意示图意图
模拟电子技术基础 半导体器件基础
热激发、空穴与自由电子 自由电子 光照
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
图2-3 本征半导体中的自由电子和空穴的形成
共价键失去电子后留下的空位称为空穴，显然具有空穴的原 子带正电。本征半导体产生热激发时，电子和空穴成对出现。
少子 空间电荷区 多子 少子
P型半导体 内电场 N 型半导体
c.漂移运动
内电场空的穴形成
自由电子
在内电场的作用下向，P区的少图 子（2-8电P子N）结的 向形N区成 漂移， N区的少子（空穴）向P区漂移，形成漂移电流。当扩散运动 和漂移运动达到动态平衡时，就形成了稳定的空间电荷区--PN结。
模拟电子技术基础 半导体器件基础
模拟电子技术基础 半导体器件基础
自由电子和空穴的复合、动态平衡
+4
+4
+4
填补
+4
+4
+4
+4
+4
+4
在本征半导体图中2-，4 本自征半由导电体子中空和穴空和穴自由总电是子的成运对动出现，同时又不 断复合，故在一定温度下，载流子的热激发和复合达到动态 平衡，载流子的数目维持在一定的数目。
模拟电子技术基础 半导体器件基础
2.1.3 N型半导体和P型半导体
1. N型半导体 在硅或锗的本征半导体中掺入微量的5价磷（P）元素，
则形成N型半导体。
+4
+4
+4
掺入
+4
+45
+4
+4
+4
+4
图2-4 本征半导体中空穴和自由电子的运动
模拟电子技术基础 半导体器件基础 2．P型半导体 素空称，穴为如则为空果形多穴在成数型硅P载半型或流导半锗子体导的，，体本自硼。征由原半电子导子也体为称中少为掺数受入载主微流杂量子质的，。3故价P硼型（半B导）体元也
模拟电子技术基础 半导体器件基础
2.2 半导体二极管
2.2.1 二极管的结构、类型及符号
将一个PN结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极 管，也称晶体二极管。
整流二极管
发光二极管
稳压二极管
开关二极管
模拟电子技术基础 NP
二极管符号
半导体器件基础
普通二极管
整流二极管
大功率整流二极管 几种二极管外形示意图
N 型硅 阴极引线 NN型型硅硅
(a)
底座 (b阴) 极阴引极线引线
(c) 阴极阴引极线引线
(a)
(a)
图 2-12 半导面体接二触(极b)型管(b)的结构示意图
平面(c) (型c)
(a) 点接触型图图2-122-1半2(b导半) 体导面二体接极二触管极型的管结的构结示构(c意)示平图意面图型 (a)(a点) 接点触接型触型 (b)(b面) 接面触接型触型 (c)(c平) 面平型面型