半导体器件电子学2011-2012 2A
半导体器件与电子学技术
半导体器件与电子学技术在当今高科技社会中，半导体器件和电子学技术已经成为各个行业中不可或缺的重要组成部分。
无论是通信、计算机、医疗设备还是能源领域，都离不开这些技术的应用。
本文将探索半导体器件和电子学技术的发展历程、应用领域以及未来可能的创新。
半导体器件最早可以追溯到20世纪初，当时人们开始研究电流的不同导电性质。
根据其电导率特性，将材料分为导体、绝缘体和半导体。
半导体是指在温度较高时具有导电性，而在较低温度下表现为绝缘体的材料。
这一特性使得半导体器件得以应用于广泛的电子学领域。
其中，最重要的半导体器件之一是晶体管。
晶体管是一种用于放大和开关电信号的器件。
由于其小巧、低功耗和可靠性高的特点，晶体管很快取代了以前使用的真空管。
随后，集成电路的诞生进一步推动半导体器件的发展。
集成电路为将数百个甚至数千个晶体管集成到一块芯片上提供了可能，大大减小了电路板的体积。
此后，半导体技术逐渐渗透到各个领域，例如无线通信、家用电器和交通工具等。
在无线通信领域，半导体器件发挥了重要作用。
手机和无线网络的普及离不开各种半导体器件的应用。
放大器、滤波器、调制解调器等器件在传输和接收信号过程中起到了至关重要的作用。
此外，随着5G技术的不断发展，半导体器件的需求将会进一步增加，以满足更高频率和更快速度的通信要求。
在计算机领域，半导体器件也扮演着重要角色。
中央处理器(CPU)是计算机的核心部件，它使用半导体材料来传输和处理数据。
随着技术的发展，CPU的集成度越来越高，性能也不断提升。
此外，存储器件如固态硬盘(SSD)也在取代传统的机械硬盘，提供更高的读写速度和可靠性。
半导体技术的发展使得计算机能够更高效地运行，为人们提供了更好的用户体验。
半导体器件和电子学技术在医疗设备中也起到了重要作用。
例如，人工心脏起搏器使用半导体材料来稳定患者的心率。
此外，医疗成像设备如X射线机和核磁共振仪等也离不开半导体器件的应用。
这些设备的高精度、高分辨率和低辐射都得益于半导体器件的特性。
半导体器件电子学教学大纲
半导体器件电子学教学大纲半导体器件电子学教学大纲随着科技的不断进步和发展，半导体器件在现代电子技术中扮演着至关重要的角色。
半导体器件电子学作为一门专业课程，旨在培养学生对半导体器件的理论知识和实践技能，以应对日益增长的电子行业需求。
本文将探讨半导体器件电子学教学大纲的设计和内容，以及其在学生职业发展中的重要性。
一、引言半导体器件电子学是电子工程领域中的重要学科之一。
它涵盖了半导体器件的基本原理、制造工艺、特性分析以及应用等方面的知识。
通过学习半导体器件电子学，学生可以深入了解半导体器件的工作原理和性能特点，为他们今后从事电子工程相关职业打下坚实的基础。
二、课程目标半导体器件电子学的教学大纲旨在达到以下目标：1. 理解半导体器件的基本原理和工作机制；2. 掌握半导体器件的制造工艺和测试方法；3. 能够分析和评估半导体器件的性能；4. 熟悉半导体器件的应用领域和发展趋势；5. 培养学生的实践能力和创新思维。
三、课程内容1. 半导体物理学基础- 半导体材料的基本性质和能带理论；- PN结的形成和特性分析；- 半导体器件中的载流子运动和复合过程。
2. 半导体器件的制造工艺- 清洗、沉积和腐蚀等基本工艺；- 光刻、离子注入和扩散等关键工艺；- 薄膜和晶圆的制备和加工。
3. 半导体器件的特性分析- 静态和动态特性参数的测量方法；- 温度、电压和频率对器件性能的影响；- 器件的失效机理和可靠性评估。
4. 半导体器件的应用- 功率器件、光电器件和传感器的原理和应用；- 集成电路和微电子器件的设计和制造；- 新兴半导体器件的研究和发展趋势。
四、教学方法为了更好地实现课程目标，教学大纲中应包含多种教学方法的组合，如：1. 理论讲授：通过课堂讲解和演示，向学生传授半导体器件的基本理论知识和原理。
2. 实验实践：设置相关实验项目，让学生亲自操作和测试半导体器件，提升他们的实践能力。
3. 论文阅读和报告：要求学生阅读相关文献，撰写论文和报告，培养他们的科研能力和创新思维。
半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识半导体器件的基本知识真是个引人入胜的话题。
它们无处不在，影响着我们生活的每一个角落。
想象一下，你的手机、电脑、甚至是冰箱，背后都藏着这些小小的奇迹。
半导体其实是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它们能在特定条件下导电，这种特性让它们成为现代电子设备的核心。
半导体的应用可谓是无所不在。
从最早的真空管到如今的晶体管，技术发展日新月异。
晶体管是半导体的英雄，推动了计算机和通讯技术的飞速发展。
简单来说，它们就像开关，能够控制电流的流动。
想象一下，没有这些小小的开关，我们的生活会变成什么样子？估计连个短信都发不出去。
接着，我们得聊聊二极管。
二极管是半导体的另一位明星，主要作用是让电流只往一个方向流动。
这种特性在整流和信号处理上至关重要。
比如，你的手机充电器就离不开二极管的帮助。
想象一下，如果电流乱七八糟地流动，那手机估计早就炸了。
然后，还有更复杂的半导体器件，如集成电路。
集成电路把成千上万的晶体管、二极管和其他元件集成在一起，极大地缩小了设备的体积，提升了性能。
可以说，集成电路是现代电子产品的“心脏”。
随着科技的发展，集成电路的技术不断进步，摩尔定律也让我们看到未来的无限可能。
接下来说说半导体材料本身。
硅是最常见的半导体材料。
它不仅价格便宜，而且容易获得。
随着研究的深入，砷化镓等其他材料也逐渐崭露头角。
砷化镓在高频、高功率设备中表现优异，特别是在通讯技术中大放异彩。
其实，半导体器件的工作原理也非常有趣。
电子和空穴的运动就是它们的核心。
简单来说，电子是带负电的，而空穴则像是带正电的“洞”。
这两者的相互作用构成了电流的基础。
在某种程度上，它们的结合就像是一场舞蹈，电子不断地跳动，而空穴则在一旁默默等待。
有趣的是，半导体器件的性能受温度影响很大。
高温会导致材料的导电性变化，甚至可能导致器件失效。
因此，良好的散热设计对于电子设备至关重要。
想想看，电脑过热时卡顿，那绝对是让人抓狂的事。
在实际应用中，半导体器件还涉及到许多前沿技术。
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。
精选课件
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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。
精选课件
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。
精选课件
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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。
精选课件
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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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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。
第1章-半导体器件基础
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
ui
ui
RL
uo
t
uo t
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR RL
uR
t
uo t
uo
t
1.2.5 稳压二极管
-
曲线越陡， I
电压越稳
定。
+
UZ
稳压
动态电阻： 误差
r U Z
Z
I Z
rz越小，稳 压性能越好。
UZ
IZ
U IZ IZmax
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ
（2）电压温度系数U（%/℃）
基区空穴
向发射区
的扩散可
忽略。
B
进 少入部P分区与R的基B 电区子的
空穴复合，形成
电流IBEE，B 多数
扩散到集电结。
C
N
基础电子学中的半导体物理与器件
基础电子学中的半导体物理与器件电子学是现代科技中不可或缺的一部分。
而在电子学的基础中，半导体材料和器件的应用越来越广泛。
半导体器件广泛用于各种电子设备中，例如计算机、手机、电视等等，它的应用领域十分广泛。
本文将介绍半导体物理，以及根据物理实现的半导体器件。
1. 半导体物理半导体的特殊之处在于它的电阻率介于导体和绝缘体之间。
在物理上，半导体材料的电子结构与导体和绝缘体之间有很大的区别。
在半导体中，存在着“禁带”（也称带隙）概念，禁带是指半导体材料中不带有电子。
而在禁带的两侧，分别是导带和价带。
在半导体内部，导带和价带中存在空穴和电子，当外加电场时，空穴和电子在两个带间进行跃迁而发生导电。
当一个半导体被加热时，存在两种载流子，即电子和空穴。
在加热时，有足够的能量使得价带中的原子残留能量足以跃迁到导带中，因此导带中会出现电子而价带中则会产生空穴，这种情况下导电状况与导体相似。
当半导体材料没有被加热时，则只有少数的电子和空穴能够在两个带间跃迁，这种时候半导体只有微弱的导电性，相当于绝缘体。
由此可见，半导体材料的电导性质具有可控性，开展了半导体器件的研究和应用。
2. 半导体器件根据半导体原理，我们开展了众多新型电子器件的研究。
其中，最为经典也最为重要的半导体器件是二极管。
2.1 二极管二极管具有单向导电性，可以将电流限制在一个方向上流动。
二极管是由两块半导体材料拼接而成。
半导体界面处存在不同的载流子浓度，这种载流子的浓度差异成为pn结。
通常，p半导体有相对较多的正电荷载流子（即空穴），n半导体有较多的负电荷载流子（即自由电子）。
二者当合并在一起时，会形成电子转移和空穴转移。
由于电子转移受到正电荷的阻挡，空穴转移受到负电荷的抑制，因此只有一边的负载荷子能够通过pn结。
二极管约束的最大电流称为最大截止电流，也叫做饱和电流。
当电流流过二极管时，如果流过的电流太大，则会导致二极管损坏。
因此，二极管在电流保护和整流等领域有广泛的应用。
电子元器件基础知识——半导体器件
一、中国半导体器件型号命名方法半导体器件型号由五部分（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）组成。
五个部分意义如下：第一部分：用数字表示半导体器件有效电极数目。
2-二极管、3-三极管第二部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。
表示二极管时：A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N 型硅材料、D-P型硅材料。
表示三极管时：A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。
第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的内型。
P-普通管、V-微波管、W-稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光电器件、K-开关管、X-低频小功率管(F<3MHz,Pc<1W)、G-高频小功率管（f>3MHz,Pc<1W）、D-低频大功率管（f<3MHz,Pc>1W）、A-高频大功率管（f>3MHz,Pc>1W）、T-半导体晶闸管（可控整流器）、Y-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。
第四部分：用数字表示序号第五部分：用汉语拼音字母表示规格号例如：3DG18表示NPN型硅材料高频三极管日本半导体分立器件型号命名方法二、日本生产的半导体分立器件，由五至七部分组成。
通常只用到前五个部分，其各部分的符号意义如下：第一部分：用数字表示器件有效电极数目或类型。
0-光电（即光敏）二极管三极管及上述器件的组合管、1-二极管、2三极或具有两个pn结的其他器件、3-具有四个有效电极或具有三个pn结的其他器件、┄┄依此类推。
第二部分：日本电子工业协会JEIA注册标志。
S-表示已在日本电子工业协会JEIA注册登记的半导体分立器件。
第三部分：用字母表示器件使用材料极性和类型。
ATMEL代理A-PNP型高频管、B-PNP型低频管、C-NPN型高频管、D-NPN型低频管、F-P控制极可控硅、G-N控制极可控硅、H-N基极单结晶体管、J-P沟道场效应管、K-N 沟道场效应管、M-双向可控硅。
第第11章章常用半导体器件常用半...
模
拟 电
ＰＮ结正偏 ⇒ 内电场削弱 ⇒
耗尽层变窄⇒
子
技
术
基 础
多子扩散 > 少子漂移 ⇒ 正向电流大，反向电流小
外加正向电场：促使扩散，阻止漂移。
第1章 常用半导体器件
(2)、PN结加反向电压时的导电情况
1.1 概述
外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电
模 拟
场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
3、本征半导体导电能力较弱。
空 穴：
a: 空穴带正电量； b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，
与电子电量相等，符号相反； c：在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，两
者对电流的贡献是迭加的。
第1章 常用半导体器件
1.1 概述
1.1.2 杂质半导体
为什么要掺
模 杂质半导体：人为掺入杂质的半导体。
子
扩散电容远小于势垒电容
技
术 基
• 低频工作时，PN结的结电容的容抗大，可视为开路。
础
低频可不考虑结电容的影响；
图二极管高频等效道路
• 高频工作时，因容抗变小，结电容将旁路PN结的等效电 阻，使PN结的单向导电性变差。
高频时必须考虑结电容的影响；
频率越高，结电容 效应越明显。
高频电路中应使用结电容小的二极管。
第1章 常用半导体器件
2、电子空穴对
1.1 概述
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。
模 拟
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的
电 价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由
子 技
电子。
术 基
这一现象称为本征激发，也称热激发。
电工学第7章半导体器件
6
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
7
三、PN 结
外电场
+–
内电场被
削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
++ + ++ + ++ +
+ ++ + ++ + ++
UCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 V
晶体管处于放大状态。
RB1 = 500 k RB2 = 50 k
RC = 5 k
(2) 开关 S 合向 b 时
IB =
UBB1 RB2
=
5 50×103 A = 0.1 mA
RB1
IC
=
UCC RC
=
15 5×103 A = 3 mA
点接触型、面接触型。
Ｐ
(2) 按材料分类
阳极
硅管、锗管。
(3) 按用途不同分类
普通管、整流管、开关管等。
N
阴极
13
(a) 点接触型 结面积小、
《半导体光电子学》课件
探测器性能测试
演示光电探测器的响应度、速度和线性范围 等测试方法。
实验四：光子集成回路的制备与性能测试
总结词
掌握光子集成回路的基本原理、制备工艺和性能测试方法
光子集成回路基本原理
介绍光子晶体、光波导和光子器件等基本概念。
光子集成回路制备工艺
介绍微纳加工、耦合和封装等关键工艺流程。
回路性能测试
演示光子集成回路的传输损耗、器件特性和系统性能等测试方法。
发展历程与现状
发展历程
从20世纪初的初步研究到现在的广 泛应用，经历了基础研究、技术突破 和应用拓展等阶段。
现状
随着光电子器件的快速发展，半导体 光电子学在通信、能源、医疗等领域 发挥着越来越重要的作用。
半导体光电子学的应用领域
通信领域
利用半导体光电子器件实现高 速、大容量的信息传输，如光 纤通信系统中的激光器、调制
太阳能电池
提高太阳能电池的光电转换效率和稳 定性，降低成本，推动其在可再生能 源领域的应用。
光子集成回路的研究
光子晶体
研究新型光子晶体结构和材料，实现光 子器件的小型化、集技术，制作高性能的光子器 件，推动光子集成回路的发展。
半导体光电子学的未来展望
新材料、新结构的研究
导带是电子填充的能级， 价带是空穴填充的能级， 禁带是导带和价带之间的 能量间隙。
不同类型和性质的半导体 具有不同的能带结构。
半导体的光学性质
半导体的光学性质与材料的能带结构和光学常 数有关。
光电效应是太阳能电池等光电器件工作的基础。
半导体对光的吸收、反射、折射和散射等行为 具有特定的规律。
半导体的光电效应是指光子照射在半导体表面时 ，半导体吸收光子能量并产生电子-空穴对的现 象。
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2011－2012
2 半导体器件电子学（A ）
信息科学技术学院 集成101－（答案写在答题纸上，写在试题纸上无效）
一、 名词解释(每小题5分，共30分)
杂质补偿
大注入
扩散近似（PN 结）
Early 效应
阈值电压
杂质饱和电离
二、 简答(每小题10分，共40分)
1、什么是迁移率？写出电子迁移率的公式并描述其物理意义，并说明迁移率与温度和杂质的关系。
2、PN 结有哪些电容效应？解释其形成原因。
3、以NPN 型晶体管为例，解释缓变基区晶体管的形成原因，课程考试试题
学期学年拟题学院（系）: 适 用 专 业:
并分析这种结构对载流子运输的影响。
4、以N 沟道MOS 管为例，写出非理想情况阈值电压公式，并解释公式中的各项。
三、 综合(每小题15分，共30分)
1、（1）画出正、反偏压下PN 结少子分布。
假设d a N N 。
（2）写出加偏压PN 结的边界条件公式，并解释正向注入和反向抽取。
2、MOS 晶体管根据栅电压的不同，在半导体表面会出现载流子的积累、耗尽和反型，请画图分析这三种情况下的半导体表明能带图，并解释三种情况下的栅极电压和半导体表面载流子特点。