半导体器件的特性
半导体材料有哪些特性和用途
半导体材料的特性和应用半导体材料是一类具有特定电学特性的材料，其在电导率方面介于导体和绝缘体之间。
半导体材料的电导率受温度、光照等外部条件影响较大，因此在实际应用中具有广泛的用途。
本文将介绍半导体材料的几种主要特性和应用。
特性1. 负导性半导体材料的电导率随温度升高而变化，且通常会随温度的上升而下降，这种负导性是半导体材料的典型特征之一。
2. 光电导性一些半导体材料在受到光照的作用下，电导率会发生变化，产生光电导性，这种特性被广泛应用在光敏元件中。
3. 半导体衍射在晶体结构中，半导体材料由于晶格结构的存在，会产生衍射现象，这种衍射特性对于半导体材料的物理性质研究具有重要意义。
4. 良好的热稳定性相比金属材料，半导体材料具有较好的热稳定性，能够在高温环境下稳定工作，这使得半导体材料在高温应用中得到广泛应用。
应用1. 电子器件半导体材料在电子器件中起着重要作用，例如半导体二极管、晶体管等，这些器件在通信、计算机等领域中得到广泛应用。
2. 光电器件半导体材料具有光电导性，因此在光电器件中得到应用，如太阳能电池、光电探测器等，利用半导体材料的光电性能实现能量转换和信号检测。
3. 激光器半导体材料在激光器件中扮演关键角色，激光二极管利用半导体材料的特性产生激光，广泛应用于通信、医疗等领域。
4. 光伏发电半导体材料的光电导性使其成为光伏发电的基础材料，利用光照能直接转化为电能，广泛应用于可再生能源领域。
结语半导体材料具有独特的特性和广泛的应用领域，其在电子、光电等领域发挥着重要作用。
随着科技的不断发展，半导体材料的研究和应用将会更加深入，并为人类创造出更多的科技奇迹。
半导体器件类型与特性
1.1.2掺杂特性
在本征半导体中掺入少量的特殊元素， 就构成杂质半导体。杂质半导体的导电 能力大大增强，且掺入的杂质越多，其 导电能力越强，这就是半导体的掺杂特 性。当然，掺入的杂质是有严格控制的， 根据掺入杂质化合价的不同，杂质半导 体分为N型半导体和P型半导体两大类。
半导体器件类型和特性
1. N型半导体
半导体器件类型和特性
同样，又可从C处移至D处，因此，空穴似 乎可以在半导体中自由移动，这实质上是价电 子填补空穴的运动。在电场作用下，大量的价 电子依次填补空穴的定向运动形成电流，为区 别于自由电子的运动，把这种价电子填补空穴 的运动叫“空穴运动”。通常认为空穴是一种带 正电荷的载流子，它所带电量与电子相等，符 号相反。那么为什么不说是价电子的运动，而 说是空穴的运动呢？这是因为本征半导体的导 电能力只取决于电子—空穴对的多少，而与其 价电子的数目无关，只有少量的价电子在共价 键中依次作填补运动才起导电作用。
半导体器件类型和 特性
半导体器件类型和特性
1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应三极管
半导体器件类型和特性
各种电子线路最重要的组成部分是半 导体器件。本章讨论半导体的特性和PN 结的单向导电性，然后分别介绍半导体 二极管、稳压二极管、双极性三极管以 及场效应管的结构、工作原理、特性曲 线、主要参数和等效电路。
半导体器件类型和特性
把在电场作用下，能运载电荷形成电流的 带电粒子称为载流子，显然自由电子是一种载 流子。电阻率高于109Ω·cm的物质为绝缘体， 如云母、橡胶等，最外层电子数大多为8个的 稳定结构，其原子核对最外层电子的束缚力很 大，常温下能形成自由电子的数目很少，因此 导电能力差。半导体的导电能力介于导体与绝 缘体之间，如硅、锗等。制造半导体器件的材 料都要制成单晶体，如单晶硅或单晶锗，它们 是由原子按一定的规则整齐地排列（空间点阵） 而成的，由于这种半导体非常纯净，几乎不含 杂质，结构又完整，所以称为本征半导体。
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
半导体主要有以下几个方面的重要特性
半导体主要有以下几个方面的重要特性：
1.热敏特性
半导体的电阻率随温度变化会发生明显地改变。
例如纯锗，湿度每升高10度，它的电阻率就要减小到原来的1／2。
温度的细微变化，能从半导体电阻率的明显变化上反映出来。
利用半导体的热敏特性，可以制作感温元件——热敏电阻，用于温度测量和控制系统中。
值得注意的是，各种半导体器件都因存在着热敏特性，在环境温度变化时影响其工作的稳定性.
2.光敏特性
半导体的电阻率对光的变化十分敏感。
有光照时、电阻率很小；无光照时，电阻率很大。
例如，常用的硫化镉光敏电阻，在没有光照时，电阻高达几十兆欧姆，受到光照时．电阻一下子降到几十千欧姆，电阻值改变了上千倍。
利用半导体的光敏特性,制作出多种类型的光电器件,如光电二极管、光电三极管及硅光电池等．广泛应用在自动控制和无线电技术中。
3.掺杂特性
在纯净的半导体中,掺人极微量的杂质元素，就会使它的电阻率发生极大的变化。
例如．在纯硅中掺人.百万分之—的硼元素，其电阻率就会从214000Ω·cm一下于减小到0。
4Ω·cm．也就是硅的导电能为提高了50多万倍。
人们正是通过掺入某些特定的杂质元素,人为地精确地控制半导体的导电能力,制造成不同类型的半导体器件.可以毫不夸张地说，几乎所有的半导体器件，都是用掺有特定杂质的半导体材料制成的.。
第一章半导体器件的特性讲解
主要内容及要求
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管（BJT） 1.5 场效应管（FET）
基础，必须掌握： 基本概念，原理， 特征曲线、参数， 应用等。
了解原理，掌握特 征曲线、参数。
1.1 半导体的导电特性
半导体材料：
物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分 导体、绝缘体和半导体。 －4 导 体：ρ<10 Ω·cm 9 绝缘体：ρ>10 Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有 化合物半导体砷化镓GaAs等。
1.5 场效应管
二、工作原理
VDS=0时， VGS 对沟道的控制作用
当VGS＜0时， PN结反偏，| VGS | 耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续 减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时， 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。 若在漏源极间加上适当电压，沟道中有 电流ID流过。 VGS＝0时，ID较大； VGS＝VGS(off)时，ID近似为零， 这时管子截止。
1.5 场效应管
特点：
利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体 中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高 （107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功 耗小。
分类：
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图
N沟道管符号
P沟道管符号
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型
要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
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）
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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。
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▪ 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
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▪ 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
半导体的特性
半导体的特性大家知道：半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。
实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。
1．在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。
例如，晶体管就是利用这种特性制成的。
2．当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。
这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。
3．当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。
例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。
由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。
因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。
在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。
最后，明确一个基本概验：所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体”一个PN结构成晶体二极管P性半导体和N型半导体----前面讲过，在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质，能使半导体的导电能力成百万倍的增加。
加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子，这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后，会产生大量带正电荷的“空穴”，这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。
例如，在纯净的半导体锗中，加入微量的杂质锑，就能形成N型半导体。
同样，如果在纯净的锗中，加入微量的杂质铟，就形成P型半导体。
一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起，见图1所示。
半导体基础知识
现代电子学中，用的最多的半导 体是硅和锗，它们的最外层电子 （价电子）都是四个。
Ge
Si
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
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。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流…… 4）按频率分：高频和低频
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2）内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反－ － － － － － 运动最终达到 衡，相当于两－ － － － － － 区之间没有电－ － － － － － 运动，空间电 区的厚度固定－ － － － － － 变。
在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位， 称为空穴。
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第一章 半导体器件的特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性 §1.2 PN结 §1.3 二极管 §1.4 双极型晶体管 §1.5 场效应管
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
半导体的导电性能由其原子结构决定。以硅、锗 为例。硅的原子序数是14，锗的原子序数是32，它们 有一个共同点，即都是4价元素，且都具有晶格结构。 它们每个原子最外层的价电子，不仅受到自身原子核 的束缚，同时还受到相邻原 子核的吸引。因此价电子不 仅围绕自身的原子核运动， 同时也出现在相邻原子核的 最外层轨道上。于是两个相 邻原子共有一对价电子，组 成共价键，如图所示。
一、本征半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
二、杂质半导体的导电特性：
本征半导体中虽存在两种载流子，但 因本征载流子浓度很低，所以导电能力很 差。若在本征半导体中掺入某种特定的杂 质，成为杂质半导体，则它们的导电性能 将发生显著变化。
根据掺杂的不同，杂质半导体可分为 N型和P型两种。
一、本征半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
将物质内部运载电荷的粒子称为载流子。半导 体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电 的空穴。物质的导电能力取决于载流子的数目和运 动速度。在本征半导体中，自由电子和空穴成对出 现，成为电子—空穴对，因此，两种载流子的浓度 是相同的。用 n 和 p 表示自由电子和空穴的浓度， 用 ni 和 pi 表示本征半导体中自由电子和空穴的浓 度，则有ni = pi。
一、本征半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
纯净的、不含其他杂质的半导体称为本 征半导体。对于本征半导体来说，由于晶体 中共价键的结合力较强，在热力学温度零度 (T = 0K，相当于－273℃)时，价电子的能量 不足以挣脱共价键的束缚，此时，晶体中没 有自由电子。所以，在热力学温度零度时， 本征半导体(电阻率约1014Ω·cm) 不能导电， 如同绝缘体一样。
§1.1 半导体的导电特性
因此，在这种杂质半导体中，空穴的浓 度将比自由电子的浓度高的多，即 p >> n。 因此这类半导体主要依靠空穴导电，故称为 空穴型半导体或P型半导体 (由于电子带正 电，故用 Positive 表示)，这种3价杂质原子 能够产生多余的空穴，起着接受电子的作 用，故称为受主原子。在 P型半导体中多子 是空穴，少子是电子。
一、本征半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
由于存在空穴这样的空位，附近共价键中的价 电子就比较容易填补进来，而在附近的共价键中留 下一个新的空位，这个空位又被相邻原子的价电子 填补。从效果上看，这种 共有电子的填补运动，相 当于带正电的空穴在运动 一样。为了与自由电子的 运动区分,称为空穴运动。
一、本征半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
当温度升高，例如在室温条件下，将有少数 价电子获得足够的能量，克服共价键的束缚而成 为自由电子。此时，本征半导体具有一定的导电 能力，但由于自由电子的数量很少，因此它的导 电能力比较微弱。当部 分价电子挣脱共价键的 束缚成为自由电子的同 时，在原来的共价键中 留下一个空位，称为空 穴。空穴是半导体区别 于导体的重要特征。
二、杂质半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
1、 N型半导体
如果在硅或锗的晶体中掺入少量的5价元素， 如磷、砷、锑等，则原来晶格中的某些硅原子将被 5价杂质原子代替。由于杂质原子最外层有5个价电 子，因此它与周围4个硅原 子组成共价键时多余一个电 子。这个电子不受共价键的 束缚，只受自身原子核的吸 引，这种束缚较弱，在室温 条件下即可成为自由电子， 如图所示。
一、PN结的形成
二、 PN结的单向导电性
第一章 半导体器件的特性
§1.2 PN结
一、 PN结的形成：
如果将一块半导体的一侧掺杂成 P型半导体，而另一侧掺 杂成 N型半导体，则在交界处将形成一个PN结(PN junction)。 如图所示，当P型与N型半导体结合时，由于P型半导体空穴浓 度大，N型半导体中的自由电子浓度大，空穴将由 P区向 N区 扩散，自由电子则由N区向P区扩散。进入P区的电子及进入N 区的空穴，将发生复合而消失，于是，在交界面两侧形成一个 由不能移动的正、负离子组成的空间电荷区，也就是PN结。
一、本征半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
由于物质的热运动，半导体中的电子—空穴对 不断地产生，同时，当电子与空穴相遇时又因复合 而使电子—空穴对消失。在一定温度下，上述产生 和复合两种运动达到了动态平衡，使电子—空穴对 的浓度一定。本征半导体中载流子的浓度，除与半 导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关, 且随温度的升高，基本上按指数规律增加。故本征 载流子对温度十分敏感。例如硅材料每升高8℃, 本 征载流子浓度增加一倍；对于锗材料每升高12℃， 本征载流子浓度增加一倍。由此可见，温度是影响 半导体导电性能的一个重要因素。
二、杂质半导体的1 半导体的导电特性
* 在杂质半导体中，多子的浓度主要取 决于掺入的杂质浓度，且基本上等于杂质 的浓度；少子的浓度虽然很低，但受温度 影响显著；多子的浓度基本不受温度影响。
二、杂质半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.2 PN结
§1.2 PN结
二、杂质半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
2、P型半导体
如果在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素, 如硼、镓、铟等，此时 杂质原子最外层有3个 价电子，因此它与周围 4个硅原子组成共价键 时，由于缺少一个电子 而形成空穴，如图所示。
二、杂质半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
二、杂质半导体的导电特性
第一章 半导体器件的特性
§1.1 半导体的导电特性
在这种杂质半导体中，自由电子的 浓度将大大高于空穴的浓度，即n>>p。 因此这类半导体主要依靠电子导电，故 称为电子型半导体或N型半导体(由于电 子带负电，故用Negative表示)，其中的 5 价杂质原子可以提供电子，所以称为 施主原子。N 型半导体中的自由电子称 为多数载流子 (简称多子)，而其中的空 穴称为少数载流子 (简称少子)。