半导体基本知识一、本征半导体和导电特性

半导体的基本知识半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。

半导体的电性质可以通过施加电场或光照来改变，这使得半导体在电子学和光电子学等领域有广泛的应用。

以下是关于半导体的一些基本知识：1. 基本概念：导体、绝缘体和半导体：导体（Conductor）：电导率很高，电子容易通过的材料，如金属。

绝缘体（Insulator）：电导率很低，电子很难通过的材料，如橡胶、玻璃。

半导体（Semiconductor）：电导率介于导体和绝缘体之间的材料，如硅、锗。

2. 晶体结构：半导体通常以晶体结构存在，常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。

3. 电子能带：价带和导带：半导体中的电子能带分为价带和导带。

电子在价带中，但在施加电场或光照的作用下，电子可以跃迁到导带中，形成电流。

能隙：价带和导带之间的能量差称为能隙。

半导体的能隙通常较小，这使得它在室温下就能够被外部能量激发。

4. 本征半导体和杂质半导体：本征半导体：纯净的半导体材料，如纯硅。

杂质半导体：在半导体中引入少量杂质（掺杂）以改变其导电性质。

掺入五价元素（如磷、砷）形成n型半导体，而掺入三价元素（如硼、铝）形成p型半导体。

5. p-n 结：p-n 结：将p型半导体和n型半导体通过特定工艺连接在一起形成p-n 结。

这是许多半导体器件的基础，如二极管和晶体管。

6. 半导体器件：二极管（Diode）：由p-n 结构构成，具有整流特性。

晶体管（Transistor）：由多个p-n 结构组成，可以放大和控制电流。

集成电路（Integrated Circuit，IC）：在半导体上制造出许多微小的电子器件，形成集成电路，实现多种功能。

7. 半导体的应用：电子学：微电子器件、逻辑电路、存储器件等。

光电子学：光电二极管、激光二极管等。

太阳能电池：利用半导体材料的光伏效应。

这些是半导体的一些基本知识，半导体技术的不断发展推动了现代电子、通信和计算机等领域的快速进步。

1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的特性自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。

[下一页]半导体的特性硅原子的序数是14、原子核外有14个电子，最外层有4个电子，称为价电子，带4个单位负电荷。

通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。

惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。

[下一页]1.1.2 本征半导体在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。

每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。

这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。

一般来说，共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，这种物理现象称作为本征激发，价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。

如图所示。

当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。

价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。

为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。

在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。

当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。

在一定温度条件下，产生的“电子空穴对”和复合的“电子空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。

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，使两者同时消失，这种现象称为复合。

动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。

载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。

半导体的导电特性根据物质的导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三大类，顾名思义半导体的导电能力介于导体绝缘体之间。

硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。

半导体的导电特性热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。

光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。

掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。

1．本征半导体本征半导体：完全纯净的、不含其它杂质的半导体通称本征半导体。

用得最多的是硅和锗，图1所示是硅和锗的原子结构图，它们都是四价元素，在原子的最外层轨道上都有四个价电子。

(a) 锗Ge (b) 硅Si图1 硅和锗的原子结构在本征半导体中，每个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，并且对两个原子所共有，因此称为共价键。

由共价键结构形成的半导体其原子排列都比较整齐，形成晶体结构，因此半导体又称为晶体，如图2所示。

图2 晶体中原子的排列方式本征半导体的导电机理在本正半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。

这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓的共价键结构，如图3所示。

图3 硅单晶中的共价键结构在共价键结构的晶体中，每个原子的最外层都有八个价电子，因此都处于比较稳定的状态。

只有当共价键中的电子获得一定能量（环境温度升高或受到光照射）后，价电子方可挣脱原子核的束缚成为自由电子，并且在共价键中留下一个空位，称为空穴。

如图4所示。

图4 空穴和自由电子的形成在一般情况下，本征半导体中自由电子和空穴的数量都比较少，其导电能力很低。

由于本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，因此在一定温度下，它们的产生和复合将达到动态平衡，使自由电子和空穴维持在一定数目上。

第一章半导体二极管一。

半导体的基础知识1。

半导体—--导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（如硅Si、锗Ge)。

2.特性———光敏、热敏和掺杂特性。

3。

本征半导体-—--纯净的具有单晶体结构的半导体。

4. 两种载流子—--—带有正、负电荷的可移动的空穴和电子统称为载流子。

5.杂质半导体————在本征半导体中掺入微量杂质形成的半导体.体现的是半导体的掺杂特性.＊P型半导体：在本征半导体中掺入微量的三价元素（多子是空穴，少子是电子）。

*N型半导体：在本征半导体中掺入微量的五价元素（多子是电子,少子是空穴）。

6. 杂质半导体的特性＊载流子的浓度--—多子浓度决定于杂质浓度，少子浓度与温度有关.＊体电阻-——通常把杂质半导体自身的电阻称为体电阻。

*转型---通过改变掺杂浓度,一种杂质半导体可以改型为另外一种杂质半导体.7。

PN结* PN结的接触电位差---硅材料约为0。

6~0.8V,锗材料约为0。

2～0。

3V。

＊ PN结的单向导电性——-正偏导通，反偏截止。

8. PN结的伏安特性二。

半导体二极管＊单向导电性--——-—正向导通，反向截止.＊二极管伏安特性-———同ＰＮ结。

*正向导通压降---——-硅管0.6～0。

7V，锗管0。

2～0。

3V.＊死区电压——--—-硅管0.5V，锗管0。

1V。

3.分析方法-——-——将二极管断开，分析二极管两端电位的高低：若 V阳〉V阴（正偏），二极管导通（短路）;若 V阳〈V阴（反偏 )，二极管截止(开路)。

1）图解分析法该式与伏安特性曲线的交点叫静态工作点Q。

2）等效电路法➢直流等效电路法*总的解题手段————将二极管断开，分析二极管两端电位的高低：若 V阳〉V阴( 正偏），二极管导通（短路);若 V阳〈V阴（反偏 )，二极管截止（开路)。

*三种模型➢微变等效电路法三. 稳压二极管及其稳压电路＊稳压二极管的特性-—-正常工作时处在PN结的反向击穿区,所以稳压二极管在电路中要反向连接。

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+4H2OSI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H212.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。

第一部分半导体的基本知识二极管、三极管的结构、特性及主要参数；掌握饱和、放大、截止的基本概念和条件。

1、导体导电和本征半导体导电的区别：导体导电只有一种载流子：自由电子导电半导体导电有两种载流子：自由电子和空穴均参与导电自由电子和空穴成对出现，数目相等，所带电荷极性不同，故运动方向相反。

2、本征半导体的导电性很差，但与环境温度密切相关。

3、杂质半导体（1）N型半导体——掺入五价元素（2）P型半导体——掺入三价元素4、PN结——P型半导体和N型半导体的交界面在交界面处两种载流子的浓度差很大；空间电荷区又称为耗尽层反向电压超过一定值时，就会反向击穿，称之为反向击穿电压5、PN结的单向导电性——外加电压正向偏置反向偏置6、二极管的结构、特性及主要参数（1）P区引出的电极——阳极；N区引出的电极——阴极温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。

二极管的特性对温度很敏感。

其中，Is为反向电流，Uon为开启电压，硅的开启电压——0.5V，导通电压为0.6~0.8V，反向饱和电流<0.1μA，锗的开启电压——0.1V，导通电压为0.1~0.3V，反向饱和电流几十μA。

（2）主要参数1）最大整流电流I：最大正向平均电流2）最高反向工作电流U：允许外加的最大反向电流，通常为击穿电压U的一半3）反向电流I：二极管未击穿时的反向电流，其值越小，二极管的单向导电性越好，对温度越敏感4）最高工作频率f：二极管工作的上限频率，超过此值二极管不能很好的体现单向导电性7、稳压二极管在反向击穿时在一定的电流范围内（或在一定的功率耗损范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，广泛应用于稳压电源和限幅电路中。

（1）稳压管的伏安特性（2）主要参数1）稳定电压U：规定电流下稳压管的反向击穿电压2）稳定电流I：稳压管工作在稳定状态时的参考电流。

电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压，只要不超过稳压管的额定功率，电流越大稳压效果越好。

半导体的导电特性根据物质的导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三大类，顾名思义半导体的导电能力介于导体绝缘体之间。

硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。

半导体的导电特性热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。

光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。

掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。

1．本征半导体本征半导体：完全纯净的、不含其它杂质的半导体通称本征半导体。

用得最多的是硅和锗，图1所示是硅和锗的原子结构图，它们都是四价元素，在原子的最外层轨道上都有四个价电子。

(a) 锗Ge (b) 硅Si图1 硅和锗的原子结构在本征半导体中，每个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，并且对两个原子所共有，因此称为共价键。

由共价键结构形成的半导体其原子排列都比较整齐，形成晶体结构，因此半导体又称为晶体，如图2所示。

图2 晶体中原子的排列方式本征半导体的导电机理在本正半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。

这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓的共价键结构，如图3所示。

图3 硅单晶中的共价键结构在共价键结构的晶体中，每个原子的最外层都有八个价电子，因此都处于比较稳定的状态。

只有当共价键中的电子获得一定能量（环境温度升高或受到光照射）后，价电子方可挣脱原子核的束缚成为自由电子，并且在共价键中留下一个空位，称为空穴。

如图4所示。

图4 空穴和自由电子的形成在一般情况下，本征半导体中自由电子和空穴的数量都比较少，其导电能力很低。

由于本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，因此在一定温度下，它们的产生和复合将达到动态平衡，使自由电子和空穴维持在一定数目上。

半导体的基本知识1. 导体、绝缘体和半导体物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。

物质的导电特性取决于原子结构。

（1）导体导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。

因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。

（2）绝缘体高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差,可作为绝缘材Word文档 1料。

（3）半导体半导体的最外层电子数一般为4个，既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。

常用的半导体材料有硅、锗、硒等。

2. 半导体的独特性能金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9~102s/cm量级。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。

3.本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。

常用的半导体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。

如图1.1.1所示为便于讨论, 采用图 1.1.2 所示的简化原子结构模型。

把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道Word文档 2上。

即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子核的吸引。