半导体器件基本结构
半导体物理与器件
发光器件
发光原理
半导体中的载流子复合时，以光子的形式释放能量。
发光器件类型
包括发光二极管（LED）、激光器等。
工作原理
发光器件利用半导体中的载流子复合发光原理，将电能转换为光能。在外加电压或电流作用下，半导体 中的载流子获得能量并发生复合，以光子的形式释放能量并发出可见光或其他波段的光。
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CATALOGUE
氧化物半导体材料
如氧化锌（ZnO）、氧化铟镓（InGaO3）等，具有透明 导电、压电等特性，可用于透明电子器件、传感器等领域 。
有机半导体材料
具有柔韧性好、可大面积制备、低成本等优点，可用于柔 性电子器件、有机发光二极管（OLED）等领域。
二维材料在半导体器件中的应用
石墨烯
具有优异的电学、热学和力学性能，可用于 高速电子器件、柔性电子器件等领域。
品中。
陶瓷封装
使用陶瓷材料作为封装外壳，具有 优异的耐高温、耐湿气和机械强度 等性能，适用于高端电子产品和特 殊应用场合。
金属封装
利用金属材料（如铝、铜等）进行 封装，具有良好的散热性能和机械 强度，适用于大功率半导体器件。
测试技术
直流参数测试
通过测量半导体器件的直 流电压、电流等参数，评 估其性能是否符合设计要 求。
荷区，即PN结。
二极管的结构
由P型半导体、N型半导体以 及PN结组成，具有单向导电
性。
二极管的伏安特性
描述二极管两端电压与电流之 间的关系，包括正向特性和反
向特性。
二极管的主要参数
包括最大整流电流、最高反向 工作电压、反向电流等。
双极型晶体管
晶体管的结构
由发射极、基极和集电极组成 ，分为NPN型和PNP型两种。
半导体真空腔体
半导体真空腔体
半导体真空腔体是一种具有高度可控性的结构，可用于制备高品质半导体材料和器件。
其基本结构包括两个平行的半导体表面之间的空腔体和两个电极。
在这种结构中，半导体表面之间形成的空隙被抽空，形成真空状态，可以减少杂质的影响，从而提高材料和器件的性能。
半导体真空腔体的制备过程需要对材料和器件的物理和化学性质进行精确控制。
首先，需要选择合适的半导体材料和电极材料。
然后，在制备过程中需要保持一定的温度和压力条件，以确保材料的结晶和器件的性能。
最后，需要对制备的材料和器件进行严格的测量和分析，以确保其性能和质量符合要求。
半导体真空腔体可用于制备各种半导体材料和器件，如纳米线、量子点、薄膜等。
其中，纳米线是一种具有极小尺寸和高比表面积的半导体结构，具有优异的电学、光学和力学性能。
通过在半导体真空腔体中制备纳米线，可以控制其形状、尺寸和密度，从而实现对其性能的调控。
量子点是一种具有量子限制效应的半导体结构，具有优异的光学和电学性能。
通过在半导体真空腔体中制备量子点，可以控制其大小、形状和分布，从而实现对其性能的调控。
薄膜是一种具有极薄厚度的半导体结构，具有优异的光学、电学和磁学性能。
通过在半导体
真空腔体中制备薄膜，可以控制其厚度、晶体结构和成分，从而实现对其性能的调控。
半导体真空腔体是一种重要的半导体制备技术，可以实现对半导体材料和器件的高度可控制和调控。
随着半导体技术的不断发展，半导体真空腔体将在未来的半导体制备中发挥越来越重要的作用。
半导体器件物理-负阻器件、功率器件、光电器件
11
1
f x 2 LSC j ( RC j )2
偏 置 在 Rmin处 ， 则 电 阻 截 止 频 率
fr0
1 2RminC j
Rmin 1 RS
fr
f
r
为
0
电
阻
为
零
的
最
高
频
率
换 言 之 ， 有 负 阻 时 频 率低 于fr0
偏 置 在Rmin处 ， 则 电 抗 截 止 频 率
11
1
f x0 2 LSC j ( RminC j )2 f x
1
exp
2ES E
dE
其 中 E 2qξ ； π mEg
经验公式
E
S为E1与E
中
2
较
小
者
。
Ip
It
Ip
V Vp
exp
1
V Vp
IV
V
Vp VV
E1
13
It
Ip
V Vp
exp
1
V Vp
Vp ?
当偏压使电子态分布的峰值与空穴分布的峰值 对应同一能量时的偏压为峰值电流的电压
电子浓度分布
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三、MIS隧道二极管（ MIS Tunnel Diode ）
1、基本结构
tox 7nm tox 5nm 1nm tox 3nm
2、基本原理
EFm
EFm
EFm
tox 7 nm : 隧 穿 可 略 ； tox 1nm : 作 用 可 略 ； 1nm tox 7 nm : 隧 穿 效 应 。
直接带隙 能量、动量守恒 E2
E1
声子与初始电子能量之 和等于隧穿后能量
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。
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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
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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
两极管三极管
两极管三极管1. 引言两极管和三极管是电子学领域中非常重要的两种半导体器件。
它们在电子电路中具有关键的作用，被广泛应用于电源、放大器、开关等电路中。
本文将介绍两极管和三极管的基本原理、结构和工作方式，并对它们的应用进行简要的介绍。
2. 两极管（Diode）两极管是一种只有两个电极（正极和负极）的半导体器件。
它由一个PN结构组成，其中P区富含正电荷（空穴），N区富含负电荷（电子）。
两极管具有一个重要特性，即它只能允许电流在一个方向上流动，这被称为正向偏置。
如果试图在反向方向上施加电压，两极管将会截止电流，这被称为反向偏置。
2.1 两极管的结构两极管由两个不同掺杂的半导体材料组成，通常是P型硅和N型硅。
P区和N区之间的结面被称为PN结。
PN结的边界处会形成一个耗尽层，其中没有可自由移动的电荷。
2.2 两极管的工作原理两极管的工作原理基于PN结的特性。
当两极管的正极连接到正电压源，负极连接到负电压源时，PN结会处于正向偏置。
这时，P区的空穴和N区的电子会在耗尽层内相互结合，形成正向电流。
当两极管的正极连接到负电压源，负极连接到正电压源时，PN结会处于反向偏置。
这时，耗尽层会阻碍电荷的流动，形成截止状态，几乎没有电流通过。
2.3 两极管的应用两极管的一个重要应用是整流器。
通过利用两极管只允许电流在一个方向上流动的特性，可以将交流电转换为直流电。
两极管也可以用作保护装置，防止输入电压超过一定范围。
此外，两极管还可以用于振荡电路和信号调节电路中。
3. 三极管（Transistor）三极管是一种具有三个控制电极的半导体器件，包括基极、发射极和集电极。
基极用于控制电流，发射极是电流的输入端，集电极是电流的输出端。
三极管也由PN结组成，但与两极管不同的是，它具有一个额外的控制电极。
3.1 三极管的结构三极管由两个PN结组成，其中一个是基结（BE结），另一个是集结（BC结）。
基极连接到PN结的P区，发射极连接到PN结的N区，集电极连接到PN结的P区。
fet结构
fet结构FET（Field-Effect Transistor）结构是半导体器件中应用广泛的一种电子器件结构。
它能够对电场进行控制的特性，使得它能够在逻辑器件、功率器件、射频器件等多种领域中得到广泛的应用。
一、FET结构的概述FET结构包括：栅极、源极、漏极和沟道。
沟道是指位于栅极和源极、漏极之间的区域。
通过对栅极施加电场，可以调控沟道中导体的浓度和类型，从而改变漏极与源极之间的导通和阻断状态。
二、JFET（结型场效应晶体管）JFET是一种简单的FET结构，主要由p型或n型半导体材料制成。
在JFET结构中，通过对栅极施加电压，可以在沟道中形成一个结型区域。
当栅极电压为零时，结型区域消失，沟道处于导通状态；当栅极施加负电压时，结型区域扩展，沟道电阻增加，处于阻断状态。
三、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）MOSFET是一种常用的FET结构，主要由p型、n型半导体和片上金属氧化物异质结构（MOS）组成。
MOSFET的沟道是由MOS结构中的氧化物形成的。
通过控制栅极上的电场，可以控制沟道中的电场和电荷状态，从而改变导通和阻断状态。
四、MESFET（金属-半导体场效应晶体管）MESFET是一种特殊的FET结构，主要由金属-半导体结构和沟道组成。
MESFET的沟道是由半导体原型而来。
通过控制栅极的电场，可以调控沟道中的导体浓度，从而改变漏极与源极之间的导通和阻断状态。
MESFET晶体管有着高的微波特性和快速的开关能力。
五、总结FET结构作为一种能与电场进行交互的器件，具有高的响应速度、低噪声、功率耗损小等优点，越来越广泛地应用于各种领域。
在未来的半导体市场中，FET结构将会继续发挥着重要的作用。
功率半导体封装结构
功率半导体封装结构随着现代电子技术的不断发展，功率半导体器件作为一种重要的电子元器件，在电力电子、汽车电子、工业控制等领域中得到了广泛的应用。
对于功率半导体器件而言，封装结构是其重要的组成部分之一，封装结构的好坏直接影响着器件的性能和可靠性。
本文将从功率半导体封装结构的分类、特点、优缺点、应用等方面进行探讨。
一、功率半导体封装结构分类根据封装结构的不同，功率半导体器件可以分为多种类型，其中比较常见的有以下几种封装结构：1. TO封装结构TO封装结构是一种较为传统的封装结构，主要用于功率晶体管、功率二极管等器件的封装。
TO封装结构的主要特点是封装体积较小、结构简单、可靠性高、散热效果好等。
但是，TO封装结构的功率密度较低，不适用于高功率器件的封装。
2. DIP封装结构DIP封装结构是一种双列直插式封装结构，主要用于功率MOSFET、IGBT等器件的封装。
DIP封装结构的主要特点是封装体积小、结构简单、可靠性高、散热效果好、功率密度高等。
但是，DIP封装结构的焊接难度较大，需要较高的焊接技术水平。
3. SMD封装结构SMD封装结构是一种表面贴装封装结构，主要用于功率MOSFET、IGBT等器件的封装。
SMD封装结构的主要特点是封装体积小、结构简单、可靠性高、散热效果好、功率密度高、焊接方便等。
但是，SMD封装结构的散热效果相对较差，需要采取一些散热措施。
4. SIP封装结构SIP封装结构是一种单列直插式封装结构，主要用于功率MOSFET、IGBT等器件的封装。
SIP封装结构的主要特点是封装体积小、结构简单、可靠性高、散热效果好、功率密度高、焊接方便等。
但是，SIP封装结构的散热效果相对较差，需要采取一些散热措施。
5. BGA封装结构BGA封装结构是一种球栅阵列封装结构，主要用于功率MOSFET、IGBT等器件的封装。
BGA封装结构的主要特点是封装体积小、功率密度高、焊接方便、散热效果好等。
但是，BGA封装结构的可靠性较差，需要采取一些可靠性措施。
半导体器件基础
对于PNP型三极管，其外部电压源极性相反，注入载流子为空穴，
实际电流方向相反，分析方法相同。
1.3 双极型三极管
1.3.3 双极型三极管的特性曲线和工作状态
三极管的特性曲线是指三极管各电极之间电压和电流的关系 曲线。它直观地表达了三极管内部的物理变化规律，描述了三极 管的外特性。下面以共发射极电路为例，讨论双极型三极管的输 入、输出特性曲线，测试电路如图1.3.3所示。。
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
1
PN结的正向偏置
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
2
PN结的反向偏置
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
3
PN结的伏安特性曲线
1.2 半导体二极管
1.2.1 二极管的结构
半导体二极管按其结构可分为点接触型和面接触型两种。点接触型二 极管（一般为锗管）由于其PN结的面积很小，因此结电容小，允许通过的 电流也小，适用于高频电路检波或小电流整流，也可用作数字电路中的开关 元件。面接触型二极管（一般为硅管）由于其PN结的面积大，结电容大， 允许通过的电流较大，适用于低频整流；对于硅平面型二极管，结面积大的 可用于大功率整流，结面积小的适用于脉冲数字电路的开关管。
1.2 半导体二极管
例1.2.2判断图1.2.7所示电路 中哪个二极电路中其阳极电位是相 同的。因此，两二极管中阴极电 位最低的那只导通。 显然VD2导 通，并使AO两端电压钳位于-6 V， 即UAO=-6 V。VD1上加的是-6 V， 所以VD1截止，VD1起隔离作用。
（1）N型半导体。在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的五价 元素磷（P），如图1.1.4所示。
（2）P型半导体。若在本征半导体硅中掺入微量的三价元素硼 （B），如图1.1.5所示。