第一章 常用半导体

1.1 半导体基础知识
☆半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 称为半导体。
☆常用的半导体材料： （1）元素半导体： 硅14(Si)、锗32(Ge)； （2）化合物半导体：砷化镓(GaAs)。
常用的半导体有单原子，也有化合物的，我们常 见的半导体材料为单原子中的硅(Si)和锗(Ge)。
价电子
一、半导体的导电特性
二、二极管的伏安特性
半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于 第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的 是反向伏安特性曲线。
U/V
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示
I I S (e
U
UT
1)
式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电 压降，UT =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UT=26 mV。
热激发产生 的自由电子 Si Si P Si 掺杂磷产生 的自由电子
Si
Si
Si
杂质原子提供 电子，故称为 施主原子
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（多子）， 空穴为N型半导体的少数载流子（少子） 简化图： 多 子
二、半导体的分类
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）
三、半导体的结构及导电方式
本征半导体： 对半导体提纯，使之成为单晶体结构，这种纯 净的晶体叫本征半导体。
价电子
共价键结构—每个 价电子为两个相邻 原子核所共有。
本征激发——在室温下，少数价电子因热激发 而获得足够的能量，因而脱离共价键的束缚成 为自由电子。同时在原来的共价键中留下一个 空位，称为“空穴”。 自由电子和空穴统称为 载流子
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
结论： PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正 向扩散电流,电流方向由P指向N； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反 向漂移电流,且和温度有关。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
置时，二极管的管压降为零
伏；反向偏置时，认为它的 电阻无穷大，电流为零。
符号及等效模型：
S
S
正偏导通，uD = 0； 反偏截止， iD = 0
二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应
用理想模型求解电路的VD和ID。
VD=0V
ID=（VDD-VD）／R
= （10-0）V／10KΩ
=1mA
◆恒压降模型 当流过二极管的电流 近似等于或大于1mA时，
按用途分
一、半导体二极管的结构类型
二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型 三大类，它们的结构示意图如图所示。 1、 点接触型二极管
PN结面积小，结电容小， 用于高频小电流电路。
2、面接触型二极管
3、平面型二极管
PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工艺中。 结面积大，则用于大功率整流。 结面积小，则用于高频、脉冲 和开关电路中。
1、正向特性 当U＞0即处于正向特性区域，正向区又分为两段：
当0＜U＜Uth时，正向电流为零 ，Uth称为死区电压，管子截止
U/V
U
当U＞Uth时，开始出现正向电流 ，并按指数规律增长。管子导通
2、反向特性 当U＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两 个区域： ①当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随 反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反 向饱和电流IS 。 ②当V≤VBR时，反向电 流急剧增加，VBR称为反 向击穿电压。这个特性 也称反向击穿特性。
可以认为二极管导通后，
管压降是恒定的，且不随 电流而变；硅管为0.7伏， 锗管为0.2伏。
硅二极管基本电路如图所示，VDD=10V，
应用恒压降模型求解电路的VD和ID。
VD=0.7V
ID=（VDD-VD）／R= （10-0.7）V／10KΩ
=0.93mA
例1：设二极管的导通电压为0.6V，求uo
思考题
错误，均呈中性
1、N型半导体带负电，P型半导体带正电。这种说法是否 正确？ 空穴
电子
2、N型半导体的多子是（），P型半导体的多子是（）。
3、PN结中扩散电流的方向是从（ P ）区指向（N ）区，漂 移电流的方向是（N ）区指向（P ）区。 4、 PN结外加正向电压时（ 扩散 ）电流大于 （ 漂移 ）电流，此时耗尽层变（ 窄 ）。
从击穿的机理上看 ，硅二极管若|VBR|≥7V 时,主要是雪崩击穿；若 |UBR|≤4V时, 则主要是 齐纳击穿。当在4V-7V之 间两种击穿都有，有可 能获得零温度系数点。
三、半导体二极管的主要参数
极限参数：使器件损坏的参数
主要 参数
特征参数：使器件的某个特性 消失的参数
① 最大整流电流IF 指管子长期运行时，允许通过的最大 正向平均电流。 ② 最大反向工作电压URM 二极管允许承受的最大反向电压 ③ 最大反向工作电流IRM 在室温下，二极管未击穿时的反向电流
外电场
2、 PN结加反向电压时的导电情况 内电场
外加的反向电压有 一部分降落在PN结 区，方向与PN结内 电场方向相同，加 强了内电场。
外电场
内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流 大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用 下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散 电流，由于漂移电流是少子形成的电流，故反 向电流非常小，PN结呈现高阻性。 其理想模型：开关断开
空 间 电 荷
P型半导体（空穴型半导体） 往本征半导体中掺杂三价杂质，如硼，形成 的杂质半导体。
热激发产生 的空穴
掺杂硼产生的 空位
杂质原子因能 吸收电子，故 称为受主原子
Si Si
B Si
Si Si
掺杂硼产生的空穴数>>热激发产生的空穴数 P型半导体中空穴数>>自由电子数 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形 成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。 简 化 图 ：
四、杂质半导体
本征半导体的导电能力是很弱的，如果在本征 半导体中掺入微量的其它元素就会使半导体的 导电性能发生显著变化。
杂质——一些微量元素的原子
杂质半导体——掺入杂质的半导体
杂质半导体分类——N型半导体、P型半导体
N型半导体（电子型半导体） 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷， 砷，锑，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。
五、 半导体二极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
六、应用
二极管的单向导电性应用很广，可用于：检波、 整流、限幅、钳位、开关、元件保护等。
二极管是非线性器件，为了便于分析，常在一定 的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极 管。该电路称为二极管的等效电路。
◆理想模型
电源电压远比二极管的 压降大时可以认为：正向偏
①Ui<3.7V时D截止， UO=Ui; ②Ui>3.7V时D导通， UO=0.7+3=3.7V
例4：设二极管的导通电压忽略，已知ui=10sinwt(V)， E=3V，画uo的波形。
R
+ ui -
D E
R
+ uo -
例5：分析如图所示的硅二极管电路 已知Ui=10sinωt(V)时，利用恒压降模型绘出相 应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。
复习 本征半导体 本征激发 自由电子 空穴 载流子
半导体
杂质半导体
N型 P型
自由电子（多子） 空穴（少子） 空穴（多子） 自由电子（少子）
掺杂 热激发
复习 PN结形成 单向导电性
多子扩散和少子漂移 达到动态平衡
正偏导通（多子的定向移动形 成较大的正向扩散电流，电流 方向由P指向N） 反偏截止（少子的定向移动形 成很小的反向漂移电流，且和 温度有关）
小结： 1、在杂质半导体中，多子主要由杂质原子提供， 少子是本征激发而产生的。 2、半导体的电流基本上是多子的电流。 3、少子对温度非常敏感；而多子的浓度基本上 等于杂质原子的浓度，所以受温度影响不大。
1.2 PN结
一、PN结的形成
内电场
P N
空穴 电子
空间电荷区
P
N
因 浓 度 差
多子产 生扩散 运动
形成空间 电荷区
形成内 电场 (NP)
形成 PN结
动态 平衡
阻止多子 扩散
促使少子漂移
二、PN结的特性——单向导电性
规定：P区接电源正，N区接电源负为PN结加正向电压 N区接电源正，P区接电源负为PN结加反向电压
PN结加正向电压时（正偏），导通 单向导电性
PN结加反向电压时（反偏），截止
P + + + + + + N
一定宽度的空间 电荷区
复习 多子扩散 少子漂移 外加电压 载流子数目
空间电荷区
电流大小
1.3 半导体二极管(Diode)
◆半导体二极管是
由PN结加上引出线 和管壳构成的。
半导体二极管的类型
按材料分
硅二极管 锗二极管
分类：
按结构分
点接触型 面接触型 平面型
整流二极管 稳压二极管 开关二极管 检波二极管
Si Si
B Si
Si Si
掺入杂质对本征半导体的导电性有很大 的影响。
一些典型的数据如下: 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:4.92×1022/cm3 以上两个浓度基本上依次相差106/cm3