第一章半导体基础知识
〖本章主要内容〗
本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。〖本章学时分配〗
本章分为4讲，每讲2学时。
第一讲常用半导体器件
一、主要内容
1、半导体及其导电性能
根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能
本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象
当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。
在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。
4、半导体的导电机理
自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。
5、杂质半导体
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。在本征半导体中掺入五价元素（如磷），就形成N 型（电子型）半导体；掺入三价元素（如硼、镓、铟等）就形成P 型（空穴型）半导体。杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关，掺杂浓度越大、温度越高，其导电能力越强。
在N 型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
多子（自由电子）的数量＝正离子数＋少子（空穴）的数量
在P 型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
多子（空穴）的数量＝负离子数＋少子（自由电子）的数量
6、PN 结的形成及其单向导电性
半导体中的载流子有两种有序运动：载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动。同一块半导体单晶上形成P 型和N 型半导体区域，在这两个区域的交界处，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，空间电荷区（亦称为耗尽层或势垒区）的宽度基本上稳定下来，PN 结就形成了。
当P 区的电位高于N 区的电位时，称为加正向电压（或称为正向偏置），此时，PN 结导通，呈现低电阻，流过mA 级电流，相当于开关闭合；
当N 区的电位高于P 区的电位时，称为加反向电压（或称为反向偏置），此时，PN 结截止，呈现高电阻，流过μA 级电流，相当于开关断开。
PN 结是半导体的基本结构单元，其基本特性是单向导电性：即当外加电压极性不同时，PN 结表现出截然不同的导电性能。
PN 结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN 结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。这正是PN 结具有单向导电性的具体表现。
7、PN 结伏安特性
PN 结伏安特性方程：??? ??-=1T U u S e I i
式中：I s 为反向饱和电流；U T 为温度电压当量，当T ＝300K 时，T U ≈26mV 当u ＞0且u >>T U 时，T U u S e I i ≈，伏安特性呈非线性指数规律 ；
当u ＜0且︱u ︱>>T U 时，0≈-≈S I i ，电流基本与u 无关；由此亦可说明PN 结具有单向导电性能。
PN 结的反向击穿特性：当PN 结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的增加而急剧增大。PN 结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。无论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PN 结的永久性损坏。
8、PN 结温度特性
当温度升高时，PN 结的反向电流增大，正向导通电压减小。这也是半导体器件热稳定性差的主要原因。
9、PN结电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定:一是势垒电容C B ，二是扩散电容C D，它们均为非线性电容。
势垒电容是耗尽层变化所等效的电容。势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压等因素有关。
扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容。扩散电容与PN结正向电流和温度等因素有关。
PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。PN结正向偏置时，以扩散电容为主；反向偏置时以势垒电容为主。只有在信号频率较高时，才考虑结电容的作用。
二、本讲重点
1、PN结的单向导电性；
2、PN结的伏安特性；
三、本讲难点
1、半导体的导电机理:两种载流子参与导电；
2、掺杂半导体中的多子和少子
3、PN结的形成；
四、教学组织过程
本讲宜教师讲授。用多媒体演示半导体的结构、导电机理、PN结的形成过程及其伏安特性等，便于学生理解和掌握。
五、课后习题
见相应章节的“习题指导”。
第二讲半导体二极管
一、主要内容
1、半导体二极管的几种常见结构及其应用场合
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。
点接触型二极管PN结面积小，结电容小，常用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。平面型二极管PN结面积可大可小，PN结面积大的，主要用于功率整流；结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管。
2、二极管的伏安特性以及与PN结伏安特性的区别
半导体二极管的伏安特性曲线如P7图1.9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。
1）正向特性：当V＞0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段：
（1）当0＜V＜U on时，正向电流为零，U on称为死区电压或开启电压。
（2）当V＞U on时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。
2）反向特性：当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：（1）当V BR＜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I S。
（2）当V≤V BR时，反向电流急剧增加，V BR称为反向击穿电压。
从击穿的机理上看，硅二极管若|V BR|≥7 V时，主要是雪崩击穿；若V BR ≤4V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。
3）二极管的伏安特性与PN结伏安特性的区别：二极管的基本特性就是PN 结的特性。与理想PN结不同的是，正向特性上二极管存在一个开启电压U on。一般，硅二极管的U on=0.5 V左右，锗二极管的U on=0.1 V左右；二极管的反向饱和电流比PN结大。
3、温度对二极管伏安特性的影响
温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。
另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降U D大约减小2mV，即具有负的温度系数。
4、二极管的等效电路（或称为等效模型）
1）理想模型：即正向偏置时管压降为0，导通电阻为0；反向偏置时，电流为0，电阻为∞。适用于信号电压远大于二极管压降时的近似分析。
2）简化电路模型：是根据二极管伏安特性曲线近似建立的模型，它用两段直线逼近伏安特性，即正向导通时压降为一个常量Uon；截止时反向电流为0。3）小信号电路模型：即在微小变化范围内，将二极管近似看成线性器件而将它等效为一个动态电阻r D 。这种模型仅限于用来计算叠加在直流工作点Q上的微小电压或电流变化时的响应。
5、二极管的主要参数
1）最大整流电流IＦ：二极管长期工作允许通过的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则会因结温过高而烧坏。
2）最高反向工作电压U BR：二极管工作时允许外加的最大反向电压。若超过此值，则二极管可能因反向击穿而损坏。一般取U BR值的一半。
3）电流I R：二极管未击穿时的反向电流。对温度敏感。I R越小，则二极管的单向导电性越好。
4）最高工作频率f M：二极管正常工作的上限频率。若超过此值，会因结电容的作用而影响其单向导电性。6、稳压二极管（稳压管）及其伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。稳压管的伏安特性与普通二极管类似，其正向特性为指数曲线；当外加反压的数值增大到一定程度时则发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，当电流在一定范围内时，稳压管表现出很好的稳压特性。
7、稳压管等效电路
稳压管等效电路由两条并联支路构成：①加正向电压以及加反向电压而未击穿时，与普通硅管的特性相同；②加反向电压且击穿后，相当于理想二极管、电压源U z和动态电阻r z的串联。如P16图1.18所示。
8、稳压管的主要参数
1）稳定电压U Z：规定电流下稳压管的反向击穿电压。
2）最大稳定工作电流I ZMAX 和最小稳定工作电流I ZMIN：稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即P Zmax =U Z I Zmax 。而I zmin对应U Zmin。若I Z＜I Zmin，则不能稳压。
3）额定功耗P ZM：P ZM＝U Z I ZMAX，超过此值，管子会因结温升太高而烧坏。
4）动态电阻r Z：r z=?V Z /?I Z，其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。R Z愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压效果愈好。
5）温度系数α：温度的变化将使U Z改变，在稳压管中，当?U Z?＞7V时，U Z具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿；当?U Z?＜4 V时，U Z具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿；当4V＜?V Z?＜7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。9、稳压管稳压电路稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻有两个作用：一是起限流作用，以保护稳压管；二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。如P17图1.19所示。
10、特殊二极管
与普通二极管一样，特殊二极管也具有单向导电性。利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN结的光敏特性可制成光电二极管。
二、本讲重点
1、二极管的伏安特性、单向导电性及等效电路（三个常用模型）；
2、稳压管稳压原理及简单稳压电路；
3、二极管的箝位、限幅和小信号应用举例；
三、本讲难点
1、二极管在电路中导通与否的判断方法，共阴极或共阳极二极管的优先导通问题；
2、稳压管稳压原理；
四、教学组织过程
本讲以教师讲授为主。用多媒体演示二极管的结构、伏安特性以及温度对二极管特性的影响等，便于学生理解和掌握。二极管的箝位、限幅和小信号应用举例可以启发讨论。
五、课后习题
见相应章节的“习题指导”。
第三讲双极型晶体管
一、主要内容
1、晶体管的主要类型和应用场合
双极型晶体管BJT是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件，是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。
BJT常见外形有四种，分别应用于小功率、中功率或大功率，高频或低频等不同场合。
2、BJT具有放大作用的内部条件和外部条件
1）BJT的内部条件为：BJT有三个区（发射区、集电区和基区）、两个PN 结（发射结和集电结）、三个电极（发射极、集电极和基极）组成；并且发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度很小。
2）BJT放大的外部条件为：发射结正偏，集电结反偏。
3、BJT的电流放大作用及电流分配关系
晶体管具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流I C，体现出I B对的I C控制作用。此时，可将I C看成电流I B控制的电流源。
三个重要的电流分配关系式：
I E＝I B＋I C
I C＝βI B＋I CEO≈βI B
I C＝αI E＋I CBO≈αI E
4、晶体管的输入特性和输出特性
晶体管的输入特性和输出特性表明各电极之间电流与电压的关系。现以共射电路为例说明。
1）共射输入特性：i B＝f (u BE)︱V CE=常数如P24图1.26所示。输入特性曲线分为三个区：死区、非线性区和线性区。其中v CE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当v CE≥1V时，特性曲线将会向右稍微移动一些。但v CE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。
2）共射输出特性：i C＝f (u CE)︱i B =常数如P25图1.27所示，它是以i B为参变量的一族特性曲线。对于其中某一条曲线，当v CE=0V时，i C=0；当v CE微微增大时，i C主要由v CE决定；当v CE增加到使集电结反偏电压较大时，特性曲线进入与v CE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随v CE增大而右移的原因是一致
的)。因此，输出特性曲线可以分为三个区域：饱和区、截止区和放大区。
1）直流参数
(1)共射直流电流放大系数：β=（I C －I CEO ）/I B ≈I C /I B |const CE =v ，β在放大区基本不变。
(2)共基直流放大系数：α=（I C －I CBO ）/I E ≈I C /I E
显然α与β之间有如下关系： α= I C /I E =βI B /(1+β)I B =β/(1+β)(3)穿透电流I CEO ：I CEO =（1+β）I CBO ；式中I CBO 相当于集电结的反向饱和电流。2）
交流参数
(1)共射交流电流放大系数β：β=?I C /?I B ∣const CE =v ，在放大区β 值基本不变。
(2)共基交流放大系数α：α=?I C /?I E ∣const CB =U
当I CBO 和I CEO 很小时，α≈α、β≈β，可以不加区分。
(3)特征频率f T ：三极管的β 值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的β 将会下降。当β下降到1时所对应的频率称为特征频率。
3）极限参数和三极管的安全工作区
（1）最大集电极电流I CM ：当集电极电流增加时，β 就要下降，当β 值下降到线性放大区β值的70～30％时，所对应的集电极电流称为最大集电极电流I CM 。至于β 值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当I C ＞I CM 时，并不表示三极管会损坏。
（2） 最大集电极耗散功率P CM ：
P CM = i C u CE 。对于确定型号的晶体管，P CM 是一个定值。当硅管的结温大于150℃、锗管的结温大于70℃时，管子的特性明显变坏，甚至烧坏。
（3）极间反向击穿电压：晶体管某一级开路时，另外两个电极之间所允许加的最高反向电压，即为极间反向击穿电压，超过此值管子会发生击穿现象。极间反向电压有三种：U CBO 、U CEO 和U EBO 。由于各击穿电压中U CEO 值最小，选用时应使
其大于放大电路的工作电源V CC 。
（4）三极管的安全工作区：由P CM 、I CM 和击穿电压V (BR)CEO 在输出特性曲线上可以确定四个区：过损耗区、过电流区、击穿区和安全工作区。使用时应保证三极管工作在安全区。如P28图1.29所示。
6、温度对晶体管特性及参数的影响
1）温度对反向饱和电流的影响：温度对I CBO和I CEO等由本征激发产生的平衡少子形成的电流影响非常严重。2）温度对输入特性的影响：当温度上升时，正向特性左移。当温度变化1℃时，U BE大约下降2～2.5mV，U BE具有负温度系数。
3）温度对输出特性的影响温度升高时，由于I CEO和β增大，且输入特性左移，导致集电极电流I C增大，输出特性上移。
总之，当温度升高时，I CEO和β增大，输入特性左移，最终导致集电极电流增大。
二、本讲重点
1、BJT电流放大原理及其电流分配关系式；
2、BJT的输入、输出特性；
3、BJT三种工作状态的判断方法；
三、本讲难点
1、BJT放大原理及电流分配关系式；
2、BJT三种工作状态的判断方法；
四、教学组织过程
本讲以教师讲授为主。用多媒体演示三极管的结构、输入与输出特性以及温度对三极管特性的影响等，便于学生理解和掌握。三极管工作状态、电位和管型的判断方法可以启发讨论。
五、课后习题
见相应章节的“习题指导”。
第四讲场效应管
一、主要内容
１、效应管及其类型
效应管FET是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。根据结构不同可分为两大类：结型场效应管（JFET）和金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET简称MOS管）。每一类又有N沟道和P沟道两种类型。其中MOS管又可分为增强型和耗尽型两种。
2、N沟道增强型MOS管结构
N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出两个电极，漏极D，和源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。因为这种MOS管在V GS=0V时I D=0；只有当U GS＞U GS(th) 后才会出现漏极电流，所以称为增强型MOS管。如P42图1.44所示。
3、N沟道增强型MOS管的工作原理
1）夹断区工作条件
U GS=0时，D与S之间是两个PN结反向串联，没有导电沟道，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零；当0﹤U GS﹤U GS(th
时，由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动，电子向上移动，在P型硅衬底的上表面形成耗尽层，仍然没有漏极电流。工作条件
U GS> U GS(th) 时，栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道(反型层)，若D、S间加上正向电压后可产生漏极电流I D。若u DS＜u GS- U GS(th)，则沟道没夹断，对应不同的u GS，ds间等效成不同阻值的电阻，此时，FET相当于压控电阻。
3）恒流区（或饱和区）工作条件
当u DS=u GS- U GS(th) 时，沟道预夹断；若u DS＞u GS - U GS(th)，则沟道已夹断，i D仅仅决定于u GS，而与u DS无关。此时，i D近似看成u GS控制的电流源，FET相当于压控流源。
可见，对于N沟道增强型MOS管，栅源电压V GS对导电沟道有控制作用，即U GS> U GS(th)时，才能形成导电沟道将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流I D。
当场效应管工作在恒流区时，利用栅－源之间外加电压u GS所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流I D。此时，可将
I D看成电压u GS控制的电流源。
4、N沟道耗尽型MOSFET
N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的S i O2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，所以当U GS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。如P45图1.48所示。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当U GS＞0时，将使I D 进一步增加。U GS＜0时，随着U GS的减小漏极电流逐渐减小，直至I D=0。对应
I D=0的U GS称为夹断电压，用符号U GS(off)表示，
5、P沟道增强型和耗尽型MOSFET
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
6、场效应管的伏安特性
场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。
以增强型N沟MOSFET为例，
输出特性：i D＝f (u DS)︱U GS =常数反映U GS＞U GS(th) 且固定为某一值时，U DS 对I D的影响；
转移特性：i D＝f (u GS)︱U DS =常数反映U GS对漏极电流的控制关系；
输出特性和转移特性反映了场效应管工作的同一物理过程，因此，转移特性可以从输出特性上用作图法一一对应地求出。
场效应管的输出特性可分为四个区：夹断区、可变阻区、饱和区（或恒流区）和击穿区。在放大电路中，场效应管工作在饱和区。
7、场效应管的主要参数：
1）直流参数
（1）开启电压U GS(th)：开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不能导通。
（2）夹断电压U GS(off)：夹断电压是耗尽型FET的参数，当U GS=U GS(off) 时，漏极电流为零。
（3）饱和漏极电流I DSS：I DSS是耗尽型FET的参数，当U GS=0时所对应的漏极电流。
：FET的栅源输入电阻。对于JFET，反偏时R GS （4）直流输入电阻R GS
（DC）
约大于107Ω；对于MOSFET，R GS约是109～1015Ω。交流参数
（1）低频跨导g m：低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。g m可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。
（2）级间电容：FET的三个电极间均存在极间电容。通常C gs和C gd约为1～3pF,而C ds约为0.1～1pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。极限参数（1）最大漏极电流I DM：是FET正常工作时漏极电流的上限值。
（2）漏--源击穿电压U(BR)DS：FET进入恒流区后，使i D骤然增大的u DS值称为漏—源击穿电压，u DS超过此值会使管子烧坏。
（3）最大耗散功率P DM：可由P DM= V DS I D决定，与双极型三极管的P CM相当。
8、场效应管FET与晶体管BJT的比较
1）FET是另一种半导体器件，在FET中只是多子参与导电，故称为单极型三极管；而普通三极管参与导电的既有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型三极管（BJT）。由于少数载流子的浓度易受温度影响，因此，在温度稳定性、低噪声等方面FET优于BJT。
2）BJT是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制输出电流的目的。因此，基极总有一定的电流，故BJT的输入电阻较低；FET是电压控制器件，其输出电流取决于栅源间的电压，栅极几乎不取用电流，因此，FET的输入电阻很高，可以达到109～１014Ω。高输入电阻是FET的突出优点。
3）FET的漏极和源极可以互换使用，耗尽型MOS管的栅极电压可正可负，因而FET放大电路的构成比BJT放大电路灵活。
4）FET 和BJT都可以用于放大或作可控开关。但FET还可以作为压控电阻
使用，可以在微电流、低电压条件下工作，且便于集成。在大规模和超大规模集成电路中应用极为广泛。
二、本讲重点
1、MOS 管结构原理；
2、MOS 管的伏安特性及其在三个工作区的工作条件；
三、本讲难点：
1、MOS 管各工作区的工作条件；
四、教学组织过程
本讲以教师讲授为主。用多媒体演示FET 的结构原理、输出与转移特性等，便于学生理解和掌握。FET 的工作区、管型的判断方法可以启发讨论。
五、课后习题
见相应章节的“习题指导”。
〖本章小节〗
本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了半导体二极管、晶体管（BJT ）和场效应管（FET ）的工作原理、特性曲线和主要参数。现将各部分归纳如下：
1、杂质半导体与PN 结
本征半导体中掺入不同的杂质就形成N 型半导体和P 型半导体，控制掺入杂质的多少就可以有效地改变其导电性能，从而实现导电性能的可控性。半导体中有两种载流子：自由电子与空穴。载流子有两种有序运动：因浓度差异而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。将两种杂质半导体制作在同一块硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，上述两种运动达到动态平衡，从而形成PN 结。正确理解PN 结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。
2、半导体二极管
一个PN 结经封装并引出电极后就构成二极管。二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流与电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小，体现出单向导电性。F I 、R I 、R U 和M f 是二极管的主要参数。
特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。利用PN 结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN 结的光敏性可制成光电二极管。
3、晶体管
晶体管具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，
而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流C I ，体现出B I （或E I 、BE U ）对C
I 的控制作用。此时，可将C I 看成为电流B I 控制的电流源。晶体管的输入特性和
输出特性表明各极之间电流与电压的关系，β、α、 CBO I (CEO I )、CM I 、
CEO BR U )(、
CM P 和T f 是它的主要参数。晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，学习时应特别注意使管子工作在不同工作区的外部条件。
4、场效应管
场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种不同的沟道：N 沟道和P 沟道，而MOS 管又分为增强型和耗尽型两种形式。
场效应管工作在恒流区时，利用栅一源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流D I 。此时，可将D I 看成电压GS U 控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。输出特性曲线描述GS U 、DS U 和D I 三者之间的关系。m g 、)(th GS U 或)(off GS U 、DSS I 、DM I 、DM P 和极间电容是它的主要参数。和晶体管相类似，场效应管有夹断区（即截止区）、恒流区（即线性区）和可变电阻区三个工作区域。
尽管各种半导体器件的工作原理不尽相同，但在外特性上却有不少相同之处。例如，晶体管的输入特性与二极管的伏安特性相似；二极管的反向特性（特别是光电二极管在第三象限的反向特性）与晶体管的输出特性相似，而场效应管与晶体管的输出特性也相似。
1.1 半导体基础知识概念归纳 本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。 绝缘体原子结构：最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。 绝缘体导电性：极差。如惰性气体和橡胶。 半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。 半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间。 半导体的特点： ★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 ★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（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，构成共价键。 自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。 本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子。 导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。 本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，
半导体基础知识（详细篇） 2.1.1概念 根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等 3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可 导电。 半导体的电阻率为10-3?109 cm 典型的半导体有硅 Si 和锗Ge 以 及砷化傢GaAs 等。 半导体特点： 1） 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此 类。 2） 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此 类。 2.1.2本征半导体 1. 本征半导体一一化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度 要达到99.9999999%常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子 技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下 图： 外层电子受原子核的束缚力最 小， 成为价电子。物质的性质是由价 电子决 定的。 2. 本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近， 相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子 的价电子形成共价键。 外层电子受原子核的束缚力最小, 的。 使原分属于各原子的四个价电子同时受到 共价键中的价电
3.共价键 共价键上的两个电子是由相邻原子各用 一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足 够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度 T=0° K （-273° C ）时，由于共价键中的电子 被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导 电。只有在激发下，本征半导体才能导电 4. 电子与空穴 当导体处于热力学温度0°K 时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到 光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电, 成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中 性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为空穴。 电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去， 称为复合，如图所示。本征激发和复 合在一定温并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所 硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图 空A * 电 子为这些原子所共有,
第一章习题 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近 能量E V (k)分别为： E c =02 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ （1）禁带宽度; （2） 导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量; （4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解：（1） 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102 V/m ，107 V/m 的电场时，试分别 计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解：根据：t k h qE f ??== 得qE k t -?=?η 补充题1 分别计算Si （100），（110），（111）面每平方厘米内的原子个数，即原子面密度 （提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图） Si 在（100），（110）和（111）面上的原子分布如图1所示： （a ）(100)晶面 （b ）(110)晶面 （c ）(111)晶面 补充题2 一维晶体的电子能带可写为)2cos 81cos 8 7()2 2ka ka ma k E +-=η（， 式中a 为 晶格常数，试求 （1）布里渊区边界； （2）能带宽度； （3）电子在波矢k 状态时的速度； （4）能带底部电子的有效质量* n m ； （5）能带顶部空穴的有效质量*p m
解：（1）由 0)(=dk k dE 得 a n k π = （n=0，±1，±2…） 进一步分析a n k π ) 12(+= ，E （k ）有极大值， a n k π2=时，E （k ）有极小值 所以布里渊区边界为a n k π ) 12(+= (2)能带宽度为2 2 2)()ma k E k E MIN MAX η=-（ (3）电子在波矢k 状态的速度)2sin 4 1 (sin 1ka ka ma dk dE v -==ηη （4）电子的有效质量 能带底部 a n k π2= 所以m m n 2* = (5)能带顶部 a n k π )12(+= ， 且* *n p m m -=， 所以能带顶部空穴的有效质量3 2* m m p = 半导体物理第2章习题 1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？ 答：（1）理想半导体：假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上，实际半导体中原子不是静止的，而是在其平衡位置附近振动。 （2）理想半导体是纯净不含杂质的，实际半导体含有若干杂质。 （3）理想半导体的晶格结构是完整的，实际半导体中存在点缺陷，线缺陷和面缺陷等。 2. 以As 掺入Ge 中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n 型半导体。 As 有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个Ge 原子形成共价键，还剩余一个电子，同时As 原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个As 原子取代一个Ge 原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子.
我们知道，电子电路是由晶体管组成，而晶体管是由半导体制成的。所以我们在学习电子电路之前， 一定要了解半导体的一些基本知识。 这一章我们主要学习二极管和三极管的一些基本知识，它是本课程的基础，我们要掌握好在学习时我们把它的内容分为三节，它们分别是： 1、1 半导体的基础知识 1、2 PN结 1、3 半导体三极管 1、1 半导体的基础知识 我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。一:本征半导体 纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。 共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流； 同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。 因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。二：杂质半导体 在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。 1.N型半导体 在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 2.P型半导体 在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。 1、2 P—N结
第一章习题 1.设晶格常数为a 的一维晶格,导带极小值附近能量E c (k)与价带极大值附近 能量E V (k)分别为: E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1==π (1)禁带宽度; （2） 导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量; (4)价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解:(1) eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064 30382324 30)(2320212102 2 20 202 02022210 1202==-==<-===-== >=+== =-+ηηηηηηηη因此：取极大值处，所以又因为得价带： 取极小值处，所以：在又因为：得：由导带： 04 3222* 83)2(1m dk E d m k k C nC ===η
s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3)()()4(6 )3(25104300222* 11-===?=-=-=?=-==ηηηηη所以：准动量的定义： 2、 晶格常数为0、25nm 的一维晶格,当外加102V/m,107 V/m 的电场时,试分别计 算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解:根据:t k h qE f ??== 得qE k t -?=?η s a t s a t 13719282 1911027.810106.1) 0(1027.810106.1) 0(----?=??--= ??=??-- =?π πηη 补充题1 分别计算Si(100),(110),(111)面每平方厘米内的原子个数,即原子面密度(提示:先 画出各晶面内原子的位置与分布图) Si 在(100),(110)与(111)面上的原子分布如图1所示: (a)(100)晶面 (b)(110)晶面
第2章§2.1半导体基础知识习题 【课程考核内容】 1、半导体类型及其导电的特点， 2.1 半导体基础知识 2.1.1.导体、绝缘体和半导体 1、自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类：导体，绝缘体，半导体。 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁等金属等低价元素，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：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。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。 2、半导体导电性能有如下两个显著特点：（1）参杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。（2）敏感性：当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。 2.1.2 半导体类型及其导电性能 1、半导体类型：半导体材料可按化学组成，可分为元素半导体（锗Ge，硅Si等）和化合物半导体（砷化镓GaAs）；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型可分为N型半导体和P型半导体；按其载流子类型可分为电子型半导体和离子型半导体。 2、单晶体和多晶体：日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类，只有单晶结构的半导体才适合制作半导体器件。 3. 本征半导体：不含任何杂质的单晶半导体，称为本征半导体。在常温下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱共价键和原子核对它的束缚，从而成为自由电子，同时在原来的位置中留下一个空位，称为空穴。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征激发。本征激发后，产生一个自由电子的同时，也就产生一个空穴，在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为电子-空穴对。在电场作用下能作定向运动的带电粒子所以把它们统称为载流子。所以，热激发后本征半导体将产生两种载流子，电子和空穴。 4. N型半导体(N egative)： N型半导体符号为Negative负的含义，由于电子带负电，故得此名。在本征半导体硅或锗的晶体内掺入微量的五价元素杂质，如磷，锑等，就形成了N型半导体。N型半导体中自由电子占绝大多数，自由电子为其多数载流子，空穴则为少数载流子。 5．P型半导体： P型半导体为P ositive正的含义，由于空穴带正电，故得此名。在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。 2.1.3 PN结及其单向导电性 经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结。当P型半导体与N型半导体结合在一起时，在交界面的两侧形成一个空间电荷区，这就是PN结，也称阻挡层，耗尽层。 2.PN结的单向导电性 (1)加正向电压PN结导通：PN结两端加正向电压时，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时在外电场的作用之下，PN结空间电荷区变窄，耗尽层变窄，PN结正向电阻小，PN结外加正向电压时处于导通状态，又称正向偏置，简称正偏。 (2)加反向电压PN结截止 给PN结加反向电压时，外加电场的方向与内电场的方向相同，因而加强了内电场的作用，使势垒加高，也就是使PN结的阻挡层变宽，PN结反向电阻大，PN结截止。 掌握【结论】从上述可知，PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的单向导电性。
第一章半导体基础知识 〖本章主要内容〗 本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。 首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。〖本章学时分配〗 本章分为4讲，每讲2学时。 第一讲常用半导体器件 一、主要内容 1、半导体及其导电性能 根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。 2、本征半导体的结构及其导电性能 本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。 3、半导体的本征激发与复合现象 当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。 在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。 4、半导体的导电机理 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂
质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。 图（a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图所示。 二．硅的基本性质 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。 性质符号单位硅（Si） 原子序数Z 14 原子量M 原子密度个/cm3 ×1022 晶体结构金刚石型 晶格常数 a ? 熔点Tm ℃1420 密度(固/液) ρg/ cm3 介电常数ε0 个/ cm3×1010本征载流子浓度n i 本征电阻率ρi Ω·cm ×105
9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图：
电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触
附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低
1．什么是导体、绝缘体、半导体？ 容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思，一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质）所形成的半导体。杂质半导体有两类：N型半导体和P型半导体。 2．半导体材料的特征有哪些？ （1）导电能力介于导体和绝缘体之间。 （2）当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体则相反，电导率的温度系数为负值。 （3）有两种载流子参加导电，具有两种导电类型：一种是电子，另一种是空穴。同一种半导体材料，既可形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。 （4）晶体的各向异性。 3．简述N型半导体。 常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。 例如：硅中掺有Ⅴ族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）时，称为N型半导体。 4．简述P型半导体。 当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。 例如：硅中掺有Ⅲ族元素杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）时，称为P型半导体。 5．什么是半绝缘半导体材料？
掌握 熟悉 了解 第一章半导体物理基础 一、能带理论 1、能带的形成、结构：导带、价带、禁带 ?当原子结合成晶体时，原子最外层的价电子实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。 ?共有化导致电子的能量状态发生变化，产生了密集能级组成的准连续能带---能级分裂 ?价带：绝对0度条件下被电子填充的能量最高的能带；结合成共价键的电子填充的能带。 ?导带：绝对0度条件下未被电子填充的能量最低的能带 2、导体、半导体、绝缘体的能带结构特点 ?禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝对的绝缘体。 3、导电的前提：不满带的存在 二、掺杂半导体 1、两种掺杂半导体的能级结构。
2、杂质补偿的概念 三、载流子统计分布 1、费米函数、费米能级：公式1-7-9和1-7-10，及其简化公式1-7-11 和1-7-12 2、质量作用定律，只用于本征半导体：公式1-7-27 3、用费米能级表示的载流子浓度：公式1-7-28和1-7-29 4、杂质饱和电离的概念（本征激发） 5、杂质半导体费米能级的位置：公式1-7-33和1-7-37。意义（图 1-13，费米能级随着掺杂浓度和温度的变化）。 6、杂质补充半导体的费米能级 四、载流子的运输 1、（1.8节）载流子的运动模式：散射－漂移－散射。平均弛豫时间的概念 2、迁移率，物理意义：公式1-9-4和1-9-5（迁移率与电子自由运 动时间和有效质量有关），迁移率与温度和杂质浓度的关系 3、电导率，是迁移率的函数：公式1-9-10和1-9-11 4、在外电场和载流子浓度梯度同时存在的条件下，载流子运输公 式：1-9-24～1-9-27 5、费米势：公式1-10-5：电势与费米能级的转换
半导体基础知识 Prepared on 24 November 2020
一．名词解释： 1..什么是半导体半导体具有那些特性 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 热敏性：导电能力受温度影响大，当环境温度升高时，其导电能力增强。可制作热敏元件。 光敏性：导电能力受光照影响大，当光照增强时候，导电能力增强。可制作光敏元件。 掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。 2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。Si是一种化学元素，在地壳中含量仅次于氧，其核外电子排布是。 3.半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N型半导体的掺杂元素为磷。P型半导体主要空穴导电， N型半导体主要靠电子导电。 4. 导体：导电性能良好，其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流，常见的导体有铁，铝，铜等低价金属元素。 5.绝缘体：一般情况下不导电，其原子的最外层电子受原子核束缚很强，只有当外电场达到一定程度才可导电。惰性气体，橡胶等。 6.半导体：一般情况下不导电，但在外界因素刺激下可以导电，例如强电场或强光照射。 其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。Si,Ge等四价元素。
7. 本征半导体：无杂质的具有稳定结构的半导体。 8晶体：由完全相同的原子，分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料，构成晶体的完全相同的原子，分子，原子团称为基元。 9.晶体结构：简单立方，体心立方，面心立方，六角密积， NACL结构，CSCL结构，金刚石结构。 10.七大晶系：三斜，单斜，正交，四角，六角，三角，立方。 11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式： SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2O SI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 12.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。常见的晶体有硅，锗，铜，铅等。常见的非晶体有玻璃，塑料，松香等。晶体和非晶体可以从三个方面来区分：1.晶体有规则的外形 2.晶体具有一定的熔点 3.晶体各向异性。 13.晶胞：晶体中有无限在空间按一定规律分布的格点，叫空间点阵。组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞具有很多晶体的性质，很多晶胞在空间重复排列起来就得到整个晶体。不同的晶体，晶胞的形状不同。 14.根据缺陷相对晶体尺寸或影响范围大小，可分为以下几类： A:点缺陷 B:线缺陷 C:面缺陷 D:体缺陷 15.位错：一种晶体缺陷。晶体的位错是围绕着一条很长的线，在一定范围内原子都发生规律的错动，离开它原来的平衡位置，叫位错。
第一章习题 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带 极大值附近能量E V (k)分别为： E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1== π （1）禁带宽度; （2） 导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量; （4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解：（1）
eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43 (0,060064 3 382324 3 0)(2320 2121022 20 202 02022210 1202== -==<-===-==>=+===-+ηηηηηηηη因此：取极大值处，所以又因为得价带： 取极小值处，所以：在又因为：得：由导带： 04 32 2 2*8 3)2(1 m dk E d m k k C nC ===η s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3 )() ()4(6 )3(25104 3002 2 2*1 1 -===?=-=-=?=- ==ηηηηη所以：准动量的定义： 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场 时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解：根据：t k h qE f ??== 得qE k t -?=?η
半导体物理学 第一章习题 (公式要正确显示，请安装字体MT extra) 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E V (k)分别为： ........................................................................................... 1 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 (3) 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E V (k)分别为： 2 20122021202236)(,)(3Ec m k m k k E m k k m k V - =-+= 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1== π （1）禁带宽度; （2）导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量; （4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化
解：109 11010 314.0＝-?= =π π a k （1） J m k m k m k E k E E m k k E E k m dk E d k m k dk dE J m k Ec k k m m m dk E d k k m k k m k dk dE V C g V V V V c C 17 31 210340212012202 1210 12202220 21731 2 103402 12102 02022210120210*02.110 108.912)1010054.1(1264)0()43(6)(0,0600610*05.310108.94)1010054.1(4Ec 430 382324 3 0)(232------=????==-=-== =<-===-==????===>=+== =-+= 因此：取极大值处，所以又因为得价带： 取极小值处，所以：在又因为：得：由导带： 04 32 2 2* 8 3)2(1 m dk E d m k k C nC === s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.71010054.14 3 10314.0210625.643043)()()4(6)3(2510349 3410 4 3 222 * 1 ----===?=???= ?? ??=-=-=?=-==ππ 所以：准动量的定义：
外延基础知识 一、基本概念能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数 N 决定，每一确定能量值称为一个能级。能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述）导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）直接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间同一位置。间接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间不同位置。 同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U（undope）－GaN 上生长 N（dope）－ GaN） 异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如蓝绿光中： GaN 上生长 Al GaN ） 超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭） 的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。 量子阱（QW）:通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。 二、半导体 1.分类：元素半导体： Si 、Ge 化合物半导体：GaAs、InP、GaN（山-V ）、ZnSe（U-W）、SiC 2.化合物半导体优点： a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一般选用直接带隙材料） b.高电子迁移率。 c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。 3.半导体杂质和缺陷杂质：替位式杂质（有效掺杂） 间隙式杂质缺陷：点 缺陷：如空位、间隙原 子 线缺陷：如位错面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错 4.外延技术 LPE:液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常用此生长方法） MOCVD （也称 MOVPE ）: Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。 HVPE :氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于山-V氮化物半导体薄膜和 超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 MBE :分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。 三、MOCVD 设备 1.发展史：国际上起源于 80 年代初，我国在 80年代中（ 85年）。国际上发展特点：专业化分工，我国发展特 点：小而全，小作坊式。 技术条件： a.MO 源：难合成，操作困难。 b.设备控制精度：流量及压力控制 c.反应室设计： Vecco :高速旋转 Aixtron: 气浮式旋转 Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点） Nichia:双流式 2.MOCVD 组成
外延基础知识 一、基本概念 能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定，每一确定能量值称为一个能级。 能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述） 导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带） 直接带隙：导带底和价带顶位于K空间同一位置。 间接带隙：导带底和价带顶位于K空间不同位置。 同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN） 异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如蓝绿光中：GaN上生长Al GaN） 超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。 量子阱(QW)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。 二、半导体 1.分类：元素半导体：Si 、Ge 化合物半导体：GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ)、SiC 2.化合物半导体优点： a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一般选用直接带隙材料） b.高电子迁移率。 c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。 3.半导体杂质和缺陷 杂质：替位式杂质（有效掺杂） 间隙式杂质 缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子 线缺陷：如位错 面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错 4.外延技术 LPE：液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常用此生长方法） MOCVD（也称MOVPE）：Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。 HVPE：氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 MBE：分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。 三、MOCVD设备 1.发展史：国际上起源于80年代初，我国在80年代中（85年）。 国际上发展特点：专业化分工，我国发展特点：小而全，小作坊式。 技术条件：a.MO源：难合成，操作困难。 b.设备控制精度：流量及压力控制 c.反应室设计：Vecco:高速旋转 Aixtron:气浮式旋转
第2章§2.1半导体基础知识习题 2.1 半导体基础知识 2.1.1.导体、绝缘体和半导体 自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类：一类是导电性能良好的物质叫，如银、铜、铝、铁等金属；另一类是在一般条件下不能导电的物质叫，如陶瓷、塑料、橡胶、玻璃等；还有一类物质，其导电性能介于导体和绝缘体之间称之为，如硅、锗、砷化镓等。 物质的导电性能之所以不同，根本原因在于构成各种物质的原子结构不同，原子和原子间的结合方式也各不相同。图7.1.1(a)、(b)所示为常见的半导体材料硅和锗的原子结构示意图，它们分别有14个和32个电子，但最外层均为4个价电子。【了解】 半导体导电性能有如下 两个显著特点： （1）：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。 （2）：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 2.1.2 半导体类型及其导电性能 1、半导体类型： 半导体材料可按化学组成，可分为半导体（锗Ge，硅Si等）和化合物半导体（砷化镓GaAs）；按其是否含有杂质，可分为半导体；按其导电类型可分为 ；按其载流子类型可分为。 2、单晶体和多晶体 日常所见到的固体分为和晶体两大类，非晶体物质的内部原子排列没有一定的规律，当断裂时断口也是随机的，如塑料和玻璃等。而称之为晶体的物质，外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐的排列起来，所以破裂时也按照一定的平面断开，如食盐、水晶等。 有的晶体是由许许多多的小晶粒组成，若晶粒之间的排列没有规则，这种晶体称之为，如金属铜和铁。但也有晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种晶体称之为，如水晶和晶刚石。 只有的半导体才适合制作半导体器件。 3. 本征半导体 不含任何杂质的单晶半导体，称为半导体。本征半导体的共价键结构如图7.1.2所示。在常温下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱共价键和原子核对它的束缚，从而成为自由电子(以后简称电子)，同时在原来的位置中留下一个空位，称它为空穴，如图7.1.3所示。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为。 由于出现了空穴，原来显中性的硅或锗原子就变成了带正电的离子，这个正电荷可以认为是空
一．名词解释： 1..什么是半导体？半导体具有那些特性？ 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 热敏性：导电能力受温度影响大，当环境温度升高时，其导电能力增强。可制作热敏元件。 光敏性：导电能力受光照影响大，当光照增强时候，导电能力增强。可制作光敏元件。 掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。 2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。Si是一种化学元素，在地壳中含量仅次于氧，其核外电子排布是？。 3.半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N型半导体的掺杂元素为磷。P型半导体主要空穴导电，N型半导体主要靠电子导电。 4. 导体：导电性能良好，其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流，常见的导体有铁，铝，铜等低价金属元素。 5.绝缘体：一般情况下不导电，其原子的最外层电子受原子核束缚很强，只有当外电场达到一定程度才可导电。惰性气体，橡胶等。 6.半导体：一般情况下不导电，但在外界因素刺激下可以导电，例如强电场或强光照射。 其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。Si,Ge等四价元素。 7. 本征半导体：无杂质的具有稳定结构的半导体。 8晶体：由完全相同的原子，分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料，构成晶体的完全相同的原子，分子，原子团称为基元。 9.晶体结构：简单立方，体心立方，面心立方，六角密积，NACL结构，CSCL结构，金刚石结构。 10.七大晶系：三斜，单斜，正交，四角，六角，三角，立方。 11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式： SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2O SI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 12.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。常见的晶体有硅，锗，铜，铅等。常见的非晶体有玻璃，塑料，松香等。晶体和非晶体可以从三个方面来区分：1.晶体有规则的外形 2.晶体具有一定的熔点 3.晶体各向异性。 13.晶胞：晶体中有无限在空间按一定规律分布的格点，叫空间点阵。组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞具有很多晶体的性质，很多晶胞在空间重复排列起来就得到整个晶体。不同的晶体，晶胞的形状不同。 14.根据缺陷相对晶体尺寸或影响范围大小，可分为以下几类： A:点缺陷 B:线缺陷 C:面缺陷 D:体缺陷 15.位错：一种晶体缺陷。晶体的位错是围绕着一条很长的线，在一定范围内原子都发生规律的错动，离开它原来的平衡位置，叫位错。 16. CZ 法生长单晶工艺过程： 装炉-融化-引晶-缩细颈-转肩-放肩-等径生长-收尾-停炉 A装炉：将腐蚀好的籽晶装入籽晶夹头，装正，装好，装牢。将清理干净的石墨器件装入单晶炉，调整石墨器件位置，使加热器，保温罩，石墨托碗保持同心。