半导体的基础知识

第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN 结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。

半导体器件是构成电子电路的基础。

半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。

顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。

1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。

通常将很容易导电、电阻率小于410-Ω•cm 的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω•cm 的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在410-Ω•cm ～1010Ω•cm 范围内的物质，称为半导体。

常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。

用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。

1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。

半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。

例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1／2。

而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10℃时，它的电阻率几乎不变。

2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。

一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。

自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。

而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。

3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。

在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之—。

第一章、半导体器件
1、为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？
制成本征半导体是为了讲自然界中的半导体材料进行提纯，然后人工掺杂，通过控制掺杂的浓度就可以控制半导体的导电性，以达到人们的需求
2、为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？
导致半导体性能温度稳定性差的主要原因有二：β
（1）禁带宽度与温度有关（一般，随着温度的升高而变窄）；（2）少数载流子浓度与温度有关（随着温度的升高而指数式增加）。

多子。

3、为什么半导体器件有最高工作频率？
这是因为半导体器件的主要组成单元是PN结，PN结的显著特征是单向导电性，因为PN结的反向截止区是由耗尽层变宽导致截止，而这个过程是需要一定的时间的，如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成PN结失去单向导电性，导致半导体器件不能正常工作，所以半导体器件有最高工作频率的限制。

4、整流，是指将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这正变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。

5、为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？
虽然集电结是反偏的，虽然基极是开路的，但是，晶体管芯，是块半导体材料。

半导体材料，又不是绝缘体，加上电压，就有微弱的电流，这很正常。

从集电区向基区出现的“反向饱和电流Icbo”，在基极没有出路，就流向发射极了。

这一流动，就形成了一个Ib。

这个Ib，就引出了一个贝塔倍的Ic; 这个Ib和Ic之和，就是穿透电流Iceo，等于(1+贝塔)Icbo。

6、
展开。

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。

半导体重要基础知识点
半导体是指具有介于导体和绝缘体之间电导率的材料。

它在现代电子
学中起着重要的作用，广泛应用于各种电子器件和技术中。

在学习半
导体的基础知识时，以下几个关键概念是不可或缺的。

1. 能带理论：
能带理论是解释半导体电导性质的基础。

它将固体材料中电子的能量
划分为能量带，包括导带和禁带。

导带中的电子可以自由移动，导致
材料具备良好的导电性；而禁带中没有电子，因此电子无法自由移动。

2. 纯净半导体：
纯净半导体由单种原子构成，并且没有杂质。

其中，硅是最常用的半
导体材料之一。

纯净的半导体通常表现为绝缘体，因为其禁带宽度较大，电子无法跃迁到导带。

3. 杂质掺杂：
为了改变半导体的导电性质，可以通过掺杂过程引入杂质。

其中，掺
入五价元素（如磷、砷）的半导体称为n型半导体，因为杂质的额外
电子可以增加导电性能；而掺入三价元素（如硼、铝）的半导体称为p 型半导体，因为杂质的缺电子位可以增加导电性能。

4. PN 结：
PN结是由n型半导体和p型半导体相接触而形成的结构。

在PN结中，形成了一个漏斗状的能带结构，其中P区域的缺电子位和N区域的额
外电子形成了势垒。

这个势垒可以控制电子的流动，使得PN结可以用
于逻辑门、二极管等电子器件中。

半导体作为现代电子技术的基础之一，无论是手机、计算机还是各种
智能设备，都离不开半导体器件的应用。

因此，熟悉半导体的基础知识对于理解和应用现代科技至关重要。

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 Ω·cm。

典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓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——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。

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，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。

共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

如下图所示：硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图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。

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。

半导体器件重要知识点总结一、半导体基础知识1. 半导体的概念及特性：半导体是指导电性介于导体和绝缘体之间的一类材料。

由于半导体材料的导电性能受温度、光照等外部条件的影响比较大，它可以在不同的条件下表现出不同的导电特性。

半导体材料常见的有硅、锗等。

2. P型半导体和N型半导体：P型半导体是指在半导体材料中掺入了3价元素，如硼、铝等，使其成为带正电荷的空穴主导的半导体材料。

N型半导体是指在半导体材料中掺入了5价元素，如磷、砷等，使其成为自由电子主导的半导体材料。

3. 掺杂：半导体器件在制造过程中一般都要进行掺杂，以改变其导电性能。

掺杂分为N型掺杂和P型掺杂，通过掺杂可以使半导体材料的导电性能得到调控，从而获得所需要的电子特性。

4. pn结：pn结是指将P型半导体和N型半导体直接连接而成的结构，它是构成各类半导体器件的基础之一。

pn结具有整流、发光、光电转换等特性，在各类器件中得到了广泛的应用。

二、半导体器件的基本知识1. 二极管（Diode）：二极管是一种基本的半导体器件，它采用pn结的结构，在正向偏置时可以导通，而在反向偏置时则将电流阻断。

二极管在各类电子电路中具有整流、电压稳定、信号检测等重要作用。

2. 晶体管（Transistor）：晶体管是一种由半导体材料制成的三电极器件，它采用多个pn结的结构，其主要功能是放大信号、开关电路和稳定电路等。

晶体管在各类电子器件中扮演着至关重要的作用，是现代电子技术的重要组成部分。

3. 集成电路（IC）：集成电路是将大量的半导体器件集成在一块半导体芯片上的器件，它可以实现各种功能，如存储、计算、通信等。

集成电路在现代电子技术中已成为了各类电子产品不可或缺的一部分，是现代电子产品的核心之一。

4. MOS场效应管（MOSFET）：MOSFET是一种基于金属-氧化物-半导体的结构的场效应晶体管，它在功率控制、开关电路、放大器等方面有着重要的应用。

MOSFET在各类电源、电动机控制等领域得到了广泛的应用。

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。

半导体基础知识详细半导体是一种电子特性介于导体和绝缘体之间的材料。

它的电阻率介于导体和绝缘体之间，而且在外界条件下可以通过控制电场、光照、温度等因素来改变其电子特性。

半导体材料广泛应用于电子器件、太阳能电池、光电器件、传感器等领域。

1. 半导体的基本概念半导体是指在温度为绝对零度时，其电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。

在室温下，半导体的电阻率通常在10^-3到10^8Ω·cm之间。

半导体的导电性质可以通过控制材料中的杂质浓度来改变，这种过程称为掺杂。

2. 半导体的晶体结构半导体的晶体结构分为两种：共价键晶体和离子键晶体。

共价键晶体是由原子间共享电子形成的晶体，如硅、锗等。

共价键晶体的晶格结构稳定，电子在晶格中移动时需要克服较大的势垒，因此其导电性较差。

离子键晶体是由正负离子间的静电作用形成的晶体，如氯化钠、氧化镁等。

离子键晶体的晶格结构较稳定，电子在晶格中移动时需要克服较小的势垒，因此其导电性较好。

3. 半导体的能带结构半导体的能带结构是指半导体中电子能量的分布情况。

半导体的能带结构分为价带和导带两部分。

价带是指半导体中最高的能量带，其中填满了价电子。

导带是指半导体中次高的能量带，其中没有或只有很少的电子。

当半导体中的电子受到外界激发时，可以从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。

4. 半导体的掺杂半导体的掺杂是指向半导体中加入少量的杂质原子，以改变其电子特性。

掺杂分为n型和p 型两种。

n型半导体是指向半导体中掺入少量的五价杂质原子，如磷、砷等。

这些杂质原子会向半导体中释放一个电子，形成自由电子，从而提高半导体的导电性能。

p型半导体是指向半导体中掺入少量的三价杂质原子，如硼、铝等。

这些杂质原子会从半导体中吸收一个电子，形成空穴，从而提高半导体的导电性能。

5. 半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的电子器件，包括二极管、晶体管、场效应管、集成电路等。

二极管是一种由n型半导体和p型半导体组成的器件，具有单向导电性。

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)、SiC2.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。

半导体主要知识点总结一、半导体的基本概念1.1半导体的定义与特点：半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料，具有介于导体和绝缘体之间的电阻率。

与导体相比，半导体的电阻率较高；与绝缘体相比，半导体的电子传导性能较好。

由于半导体具有这种特殊的电学性质，因此具有重要的电子学应用价值。

1.2半导体的晶体结构：半导体晶体结构通常是由离子键或共价键构成的晶体结构。

半导体的晶体结构对其电学性质有重要的影响，这也是半导体电学性质的重要基础。

1.3半导体的能带结构：半导体的电学性质与其能带结构密切相关。

在半导体的能带结构中，通常存在导带和价带，以及禁带。

导带中的载流子为自由电子，价带中的载流子为空穴，而在禁带中则没有载流子存在。

二、半导体的掺杂和电子输运2.1半导体的掺杂：半导体的电学性质可以通过掺杂来调控。

通常会向半导体中引入杂质原子，以改变半导体的电学性质。

N型半导体是指将少量的五价杂质引入四价半导体中，以增加自由电子的浓度。

P型半导体是指将少量的三价杂质引入四价半导体中，以增加空穴的浓度。

2.2半导体中的载流子输运：在半导体中，载流子可以通过漂移和扩散两种方式进行输运。

漂移是指载流子在电场作用下移动的过程，而扩散是指载流子由高浓度区域向低浓度区域扩散的过程。

这两种过程决定了半导体材料的电学性质。

三、半导体器件与应用3.1二极管：二极管是一种基本的半导体器件，由N型半导体和P型半导体组成。

二极管具有整流和选择通道的功能，是现代电子设备中广泛应用的器件之一。

3.2晶体管：晶体管是一种由多个半导体材料组成的器件。

它通常由多个P型半导体、N型半导体和掺杂层组成。

晶体管是目前电子设备中最重要的器件之一，具有放大、开关和稳定电流等功能。

3.3集成电路：集成电路是将大量的电子器件集成在一块芯片上的器件。

它是现代电子设备中最重要的组成部分之一，可以实现各种复杂的功能，如计算、存储和通信等。

3.4发光二极管：发光二极管是一种将电能转化为光能的半导体器件，具有高效、省电和寿命长的特点。