第1章常用半导体器件S1.1半导体基础知识一、本征半导体1、什么是半导体？什么是本征半导体？物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。导电性介于道题与绝缘体之间的物质称为半导体。导体一一铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体一一情性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才能导电。半导体一一硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的具有晶体结构的半导体。无杂质稳定的结构2、本征半导体的结构共价键相邻两个原子的最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，这样的组合称为共价键结构
第 1 章 常用半导体器件 §1.1 半导体基础知识 一、本征半导体 1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 导电性介于道题与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体——铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易 产生定向移动，形成电流。 绝缘体——惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有 在外电场强到一定程度时才能导电。 半导体——硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的 束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的具有晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构 2、本征半导体的结构 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 相邻两个原子的最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而 且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，这样的组合称为共价键结构。 共价键
共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键。4、本征半导体中的两种载流子电子空穴对1）由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。2）自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。3）自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。4）在一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定：温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。5）运载电荷的粒子称为载流子。6）外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反7）由于载流子数目很少，故导电性很差。8）温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。9）本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。热力学温度OK时不导电。二、杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中参入少量合适的杂质元素，形成杂质半导体。根据掺入的杂质元素不同，分为N型半导体和P型半导体；所掺入杂质元素的浓度控制导电性能。杂质半导体主要靠多数载流子导电，掺入的杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。1、N（Negative）型半导体
共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键。 4、本征半导体中的两种载流子 1）由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。 2）自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。 3）自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 4）在一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共 价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。 5）运载电荷的粒子称为载流子。 6）外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。 7）由于载流子数目很少，故导电性很差。 8）温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 9）本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。热力学温度 0K 时不导电。 二、杂质半导体 通过扩散工艺，在本征半导体中参入少量合适的杂质元素，形成杂质半导体。 根据掺入的杂质元素不同，分为 N 型半导体和 P 型半导体； 所掺入杂质元素的浓度控制导电性能。杂质半导体主要靠多数载流子导电，掺入的 杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。 1、N（Negative）型半导体 电子空穴对
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，成为N型半导体。硅原子N型半导体多余电子磷原子多数载流子一一自由电子：少数载流子空穴。2、P(Positive)型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等，成为P型半导体。硅原子P型半导体0000空穴00硼原子多数载流子空穴：少数载流子一自由电子。说明：1）掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度：温度决定少数载流子的浓度。2）杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。3）杂质半导体总体上保持电中性。三、PN结的形成及其单向导电性1、PN结的形成
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，成为 N 型半导体。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 多数载流子——自由电子；少数载流子——空穴。 2、P(Positive)型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等，成为 P 型半导体。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 多数载流子——空穴；少数载流子——自由电子。 说明： 1）掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。 2）杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。 3）杂质半导体总体上保持电中性。 三、PN 结的形成及其单向导电性 1、PN 结的形成 硅原子 磷原子 多余电子 硅原子 硼原子 空穴
PN00仕+00.0.0.0田④④.田物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动，气体、液体、固体均有之。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低，靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，从而阻止扩散运动的进行，内电场使空穴从N区向P区，自由电子从P区向N区运动。耗尽层N空间电荷区00+++田0:自建场PN结合一→因多子浓度差一→多子的扩散→空间电荷区→形成内电场一阻止多子扩散促使少子漂移。补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散少子飘移又失去多子，耗尽层宽，E内电场EP型半导体耗尽层N型半导体OO④0O④T店e④一++少子漂移电流多子扩散电流扩散电流=漂移电流时，达到了动态平衡，就形成了PN结
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动，气体、液体、固体均有之。 扩散运动使靠近接触面 P 区的空穴浓度降低，靠近接触面 N 区的自由电子浓度降低， 产生内电场，从而阻止扩散运动的进行，内电场使空穴从 N 区向 P 区，自由电子从 P 区 向 N 区运动。 PN 结合→因多子浓度差→多子的扩散→空间电荷区→形成内电场→阻止多子扩散， 促使少子漂移。 扩散电流=漂移电流时，达到了动态平衡，就形成了 PN 结
势垒电压硅为0.5V，锗为0.1V。2、PN结的单向导电性1）当P区的电位高于N区的电位时，称为外加正向电压（或称为正向偏置电源正极接P区，负极接N区，外电场的方向与内电场方向相反。P型半导体空间电荷区N型半导体内电场EREw外电场削弱内电场一耗尽层变窄→扩散运动>漂移运动→多子扩散形成正向电流IF。结论：PN结外加正向电压导通。2）当N区的电位高于P区的电位时，称为外加反向电压（或称为反向偏置）电源正极接N区，负极接P区，外电场的方向与内电场方向相同。空间电荷区内电场EREu外电场加强内电场一→耗尽层变宽一→漂移运动>扩散运动一少子漂移形成反向电流IR
势垒电压硅为 0.5V，锗为 0.1V。 2、PN 结的单向导电性 1）当 P 区的电位高于 N 区的电位时，称为外加正向电压（或称为正向偏置） 电源正极接 P 区，负极接 N 区，外电场的方向与内电场方向相反。 － － － － － － － + + － + + + + + － + P型半导体 － － + + N型半导体 + － + EW R 空间电荷区 内电场E 外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF。 结论：PN 结外加正向电压导通。 2）当 N 区的电位高于 P 区的电位时，称为外加反向电压（或称为反向偏置） 电源正极接 N 区，负极接 P 区，外电场的方向与内电场方向相同。 + － － － + － － 内电场 + + － + － + E + － EW － － － + 空 间 电 荷 区 + － R + + + IR P N 外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流 IR
在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故I基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。结论：PN结外加反向电压截止。3）总结PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通：PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3、PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论分析：i=I(e-1式中，u为PN结两端的电压降，i为流过PN结的电流，Is为反向饱和电流：Ur=kT/q称为温度的电压当量，其中k为玻耳兹曼常数1.38×10-23，9为电子电荷量1.6×10-9，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有Uh=26mV。当 10, 1>U时,%>1’ =1,e%r;当>Ur时，e%<<1'-ls。则PN结的伏安特性曲线如下图所示：（多子扩散）反向饱和电流正偏反向击穿电压IsJUBRu反偏反向击穿IR（少子漂移）4、PN结的电容效应
在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故 IR 基本上与外加反压的 大小无关，所以称为反向饱和电流。但 IR与温度有关。 结论：PN 结外加反向电压截止。 3）总结 PN 结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN 结导通； PN 结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN 结截止。 由此可以得出结论：PN 结具有单向导电性。 3、PN 结的伏安特性曲线及表达式 根据理论分析： (e 1) T S U u i I 式中，u 为 PN 结两端的电压降，i 为流过 PN 结的电流，IS为反向饱和电流；UT =kT/q， 称为温度的电压当量，其中 k 为玻耳兹曼常数 1.38×10－23，q 为电子电荷量 1.6×10－9，T 为热力学温度。 对于室温（相当 T=300 K），则有 UT=26 mV。 当 u>0，u>>UT时，e 1 T U u ， T eS U u i I ； 当 u>|UT |时，e 1 T U u ， S i I 。 则 PN 结的伏安特性曲线如下图所示： 4、PN 结的电容效应
1）势垒电容CB当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。P空间电荷区+REw2）扩散电容CD当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。N区P区耗尽层8..0C:00+ OO0000000N区中空穴P区中电子浓度分布浓度分布XLnIp极间电容（结电容）：Cj=CB+CD电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来
1）势垒电容 CB 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即 PN 结中存储的电荷量 要随之变化，就像电容充放电一样。 空间电荷区 － － W － + + － － － + R + E + + P N 2）扩散电容 CD 当外加正向电压不同时，PN 结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当 电容的充放电过程。 + － P N Lp x 浓度分布 P 耗尽层 N 区 区中电子 区中空穴 区 浓度分布 Ln 极间电容（结电容）：CJ = CB + CD 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来
s1.2半导体二极管导入：上节课我们学习了PN结的形成过程及单向导电性。其伏安特性曲线去下所示：7UBRu如果给PN结加上外壳，引出两根线，就可以构成我们今天要学习的二极管。一、二极管的结构和符号结构：二极管=PN结+管壳+引线P符号：+阴极阳极二、二极管的分类二极管的类型很多，按制造二极管的材料分，有硅二极管和锗二极管：从管子的结构来分，有以下几种类型：①点接触型二极管：②面接触型二极管：③平面型二极管
§1.2 半导体二极管 导入： 上节课我们学习了 PN 结的形成过程及单向导电性。其伏安特性曲线去下所示： 如果给 PN 结加上外壳，引出两根线，就可以构成我们今天要学习的二极管。 一、二极管的结构和符号 结构：二极管 = PN 结 + 管壳 + 引线 符号： 二、二极管的分类 二极管的类型很多, 按制造二极管的材料分, 有硅二极管和锗二极管；从管子的结 构来分, 有以下几种类型：①点接触型二极管；②面接触型二极管；③平面型二极管
阳极引线金属触丝N型锗片二氧化硅保护层阳极引线阴极引线P型硅N型硅外壳(a)点接触型阴极引线(c)平面型铝合金小球阳极引线PN结N型硅金锑合金阳极阴极底座阴极引线(b)面接触型(d)符号1）点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。2）面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。3）平面型二极管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。思政元素总结：事物是利整相生，我们应善于发现和利用有利方面而抑制有害方向的方法论。国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9第一位：2代表二极管，3代表三极管：第二位：代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si;第三位：代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管
1）点接触型二极管 PN 结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。 2）面接触型二极管 PN 结面积大，用于工频大电流整流电路。 3）平面型二极管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。 思政元素总结：事物是利弊相生，我们应善于发现和利用有利方面而抑制有害方向 的方法论。 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 2AP9 第一位：2 代表二极管，3 代表三极管； 第二位：代表器件的材料，A 为 N 型 Ge，B 为 P 型 Ge， C 为 N 型 Si， D 为 P 型 Si； 第三位：代表器件的类型，P 为普通管，Z 为整流管，K 为开关管
第四位：用数字代表同类器件的不同规格。三、二极管的伏安特性曲线我们已经知道了PN结的伏安特性曲线，经过实验，可以得到二极管的伏安特性曲线。二者对比图如下：1UBR对比可知，二极管比PN结多了一段死区。这是因为加了外壳和引线，这些东西都会产生一定的损耗。所以在外加正向电压时，随着电压的增大，刚开始电流为0，正向电压增大的一定值时，才有电流。我们把电流为0的区域称为死区，开始有电流时对应的电压称为开启电压或导通电压Uom。一般情况下，硅管：Uon=0.7V：锗管：Uar=0.2V。1）正向特性：正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值后，才有明显的正向电流。该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Uom表示。在室温下，硅管的Uam约为0.6～0.8V,锗管的Uon约为0.1～0.3V。通常认为，当正向电压UUom时，二极管导通。2)反向特性：二极管加反向电压，反向电流数值很小，且基本不变，称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为：纳安(nA)数量级，锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。思政元素总结：事物认识应该由浅入深、利用熟悉事物分析新生事物的认知规律。四、二极管的模型及近似分析计算
第四位：用数字代表同类器件的不同规格。 三、二极管的伏安特性曲线 我们已经知道了 PN 结的伏安特性曲线，经过实验，可以得到二极管的伏安特性曲线。 二者对比图如下： 对比可知，二极管比 PN 结多了一段死区。这是因为加了外壳和引线，这些东西都会 产生一定的损耗。所以在外加正向电压时，随着电压的增大，刚开始电流为 0，正向电压 增大的一定值时，才有电流。我们把电流为 0 的区域称为死区，开始有电流时对应的电 压称为开启电压或导通电压 Uon。一般情况下，硅管：Uon=0.7V；锗管：Uon=0.2V。 1）正向特性：正向电压低于某一数值时, 正向电流很小, 只有当正向电压高于某一 值后, 才有明显的正向电流。该电压称为导通电压, 又称为门限电压或死区电压, 用 Uon 表示。在室温下, 硅管的 Uon约为０.６～０.８V, 锗管的 Uon约为０.１～０.３V。通常认 为, 当正向电压Ｕ＜Uon时, 二极管截止；Ｕ＞Uon时, 二极管导通。 2）反向特性：二极管加反向电压, 反向电流数值很小, 且基本不变, 称反向饱和电流。 硅管反向饱和电流为：纳安(nA)数量级, 锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时, 反向电流急剧增加，产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管 可达几千伏）。 思政元素总结：事物认识应该由浅入深、利用熟悉事物分析新生事物的认知规律。 四、二极管的模型及近似分析计算