半导体器件研究与进展. (三)(王守武主编)思维导图

§14.3 二极管
14.3.1 基本结构
PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
符号
P 阳极
P
+
D
N
—
N 阴极
二极管1N4148
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14.3.1 基本结构
☆ 按结构分类：有点接触型、面接触型和平面型三类。
引线
阳极引线
小 功
大
外壳
功
铝合金小球
PN 结
率 高 频
触丝 N 型锗
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14.2.2 PN结的单向导电性
PN结加正向电压，即正向偏置： P区加正电压、N区加负电压。
PN结加反向电压，即反向偏置： P区加负电压、N区加正电压。
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PN结正向偏置——呈低阻导通状态
空间电荷区变薄
P
－+
+
－+
－+ 正向电流
☆ N型半导体
硅或锗 + 少量磷 N型半导体 硅原子
磷离子
Si
Si
多余电子
P+
Si
N型硅表示 +
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☆ P型半导体
硅或锗 + 少量硼 P型半导体
硅原子
Si Si
空穴
硼离子
B-
Si
P型硅表示
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杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+3V A
0V B
DA DB
R

自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动
本征半导体中电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高，本征半导 体的导电能力越强，温度是影响半导体性能 的一个重要的外部因素，这是半导体的一大 特点。
4.1.2杂质半导体
P 型区
空间 电荷区
N 型区
19
注意:
1.空间电荷区中几乎没有载流子。
2.空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的自由电子（都是多子）向对方运动 （扩散运 动）。
3.P 区中的自由电子和N 区中的空穴（都是少 子），数量有限，因此由它们形成的电流 很小。
20
4.2.2 PN结的单向导电性
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称 为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为 自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所 以本征半导体.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可 以自由运动的带电粒子（即载流子），它的导 电能力为 0，相当于绝缘体。
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就 会使半导体的导电性能发生显著变化。
N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体） P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）
N型半导体
硅或锗 +少量磷 N型半导体
硅原子 磷原子
Si
Si
多余电子
P
Si
N型硅表示 +
P型半导体
硅或锗 +少量硼 P型半导体
硅原子
空穴
Si Si
§4.1 半导体的基本知识

b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极

技
0.6V，画出输出电压信号的波形图。
术 【解 】分析方法：
陈 小
这个电路仍是分析二极
虎
管的导通与否，图中二极管
主 编
的正极接信号电压ui ，二极
高
管的负极接电源E的正极，
等
两个量进行比较，确定二极
教 育
管的导通与否。
出
版
社
图2.1.7 例1.2.2题图
电 【例1.2.2 】
工 电
【解 】分析方法： ui ＜ E＋0.6V
术 0求.1=输3.出5V端，F故的D电A也位导和通流。过R的电流I。
D【A 解DB】都分导析通方吗法？：
陈
小
虎 先假设两个二极管均不导通，根
主 编
据 已 知 条 件 ， UDA ＝ 3.6 － ( －
高 9)=12.6V， 故 DA导 通 ， VF＝ 3.6
等 教
－0.2=3.4V。再看DB， UDB＝0.3
温度反应特别敏感。→热敏元件
术
（2）光敏性
陈 小
半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。例如硫化
虎
镉薄膜，无光照时，电阻是几敏元件
高
（3）掺杂性
等
教 育
如果在纯净半导体中掺入微量其它元素（称为掺杂），
出
半导体的导电能力随着掺杂能力的变化而发生显著变化。
版
社
N区电子向P区扩散
图2.1.2 PN结的形成
电 1.1 半导体二极管的结构
工
电 1、PN 结形成
子 扩散运动在交界面附近形成一个很薄的空间电荷
技 区，这就是PN结。
术
PN结
阻挡层
P区空穴向N区扩散

阳极
D 阴极
符号
铝合金小球
金属触丝
N 型锗片
N 型硅
阳极引线
阴极引线
阳极引线 PN 结 金锑合金
底座
(a)点接触型
外壳
阴极引线
(b) 面接触型
5.2.2 二极管的伏安特性
?二极管是由 PN 结构成的,它也具有单向导电性。某种硅二
极管伏安特性如图示： 1. 正向特性
I (mA)
60
正向:由死区电压分为 死区和导通区。
2.P 型半导体 ?在本征半导体中掺入微量 硼(三价元素)。
Si
Si
+
BSi
Si
B
Si 空 Si 穴
掺入硼杂质的半导体中 ,空穴的数目远大于自由电子的数目。 空穴为多数载流子 ,自由电子是少数载流子 ,空穴导电是主要导 电方式,称为空穴型半导体或 P型半导体。
不论是N型半导体还是 P型半导体,都只有一种载流子占 多数,然而整个半导体晶体仍是电中性的 。
温度愈高,载流子数目就愈多 ,导电性 能就愈好 —温度对半导体器件性能 影响很大。
硅原子 共价键
5.1.2 N型半导体和P型半导体
在常温下,本征半导体的两种载流子数量还是极少的 ,其导电 能力相当低。
如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素 ,将得到掺杂半导体 , 而掺杂半导体的导电能力将大大提高 。
由于掺入杂质元素的不同 ,掺杂半导体可分为两大类 — —N型半导体 和P 型半导体 。
?半导体两端加外电压时 ,半导体中出现 两部分电流 ：
一是自由电子作定向运动所形成的电子电流；
一是被原子核束缚 价电子填补空穴所形成的空穴电流。
?载流子:自由电子和空穴都称为 载流子。 ?半导体中的自由电子和空穴总是 成对 价电子 出现,同时又不断进行复合。在一定温 度下,载流子的产生与复合会达到 动态 平衡, 载流子便维持一定数目。

Source Gate
Gate Source Drain
Drain
Gate Oxide
Sapphire Substrate
Appenzeller, et al., PRL, 93, 19, 2019
Liu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2019
2019/9/13
半导体器件物理
S
D
SiO2
Si back gate
High-quality nanotubes can be grown at specific positions
2.6 nm in diameter
1 mm
1.0 nm in diameter
1 mm
2019/9/13
IDS(nA)
-60 -50 -40 -30 -20 -10
Si Substrate
5 nm
Tri-Gate
Nanowire
5 nm
S DS
G
III-V Carbon Nanotube
FET
Future options subject to research & change
半导体器件物理
24
中国科学技术大学物理系微电子专业
2019/9/13
半导体器件物理
0 0.0 -0.2
半导体器件物理
-0.4 -0.6 VDS(V)
Vg: -4 V 0V
2V 6V
-0.8 -1.0 33
中国科学技术大学物理系微电子专业 Toward Integrated Nanotube Systems
N-type Field Effect Transistor

第1章 基本半导体器件
空穴运动
a b c
2019年11月12日星期二
数学与计算机学院
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本征半导体小结
第1章 基本半导体器件
* 本征半导体有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电 荷的空穴。 * 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴 又可能重新结合而成对消失，称为复合。 •在一定温度下本征半导体的自由电子和空穴维持一定的浓 度，导电能力很弱。 外加能量越高 （温度越高），产生的电子空穴对越多。本 征半导体导电性取决于：温度和光照！ 温度、光照↗ →导电性↗ (与金属的区别)
产生内电场 阻止
促使
少子漂移
P区
N区
＋ ＋＋
＋ ＋＋
＋ ＋＋
载流子的扩散运动
P 区 空间电荷区 N 区
＋＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋＋ ＋
内电场方向 PN 结及其内电场
2019年11月12日星期二
数学与计算机学院
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PN结的单向导电性
第1章 基本半导体器件
① 外加正向电压（也叫正向偏置） 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，多子扩散运动大
数学与计算机学院
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5. 二极管的应用
第1章 基本半导体器件
二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
例1：二极管半波整流
ui
ui
RL
uo
t
uo t
2019年11月12日星期二
数学与计算机学院
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第1章 基本半导体器件
二极管的单向导电性应用电路：整流、检波、限幅、钳位等。 例2 限幅电路，设二极管为理想器件。分析输出波形。

总结词
高效转换，环保节能
详细描述
在新能源系统中，半导体器件用于实现高效能量转换和 环保节能。例如，太阳能电池板中的硅基太阳能电池可 以将太阳能转换为电能，而LED灯中的发光二极管则可 以将电能转换为光能。
THANKS
感谢观看
总结词
制造工艺复杂
详细描述
集成电路的制造工艺非常复杂，需要经过多个步骤和工艺 流程。制造过程中需要精确控制材料的物理和化学性质， 以确保器件的性能和可靠性。
总结词
具有小型化、高性能、低功耗等特点
详细描述
集成电路具有小型化、高性能、低功耗等特点，使得电子 设备更加轻便、高效和节能。同时，集成电路的出现也推 动了电子产业的发展和进步。
总结词
由半导体材料制成
详细描述
双极晶体管通常由半导体材料制成，如硅或锗。这些材料 在晶体管内部形成PN结，是实现放大和开关功能的关键 结构。
总结词
正向导通，反向截止
详细描述
在正向偏置条件下，双极晶体管呈现低阻抗，电流可以顺 畅地通过。在反向偏置条件下，双极晶体管呈现高阻抗， 电流被截止。
场效应晶体管
05
CATALOGUE
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
总结词
广泛使用，基础元件
详细描述
在电子设备中，半导体器件是最基本的元件 之一，用于实现信号放大、传输和处理等功 能。例如，二极管、晶体管和集成电路等是 电子设备中不可或缺的元件。
通信系统中的半导体器件
总结词
高速传输，信号处理
详细描述
在通信系统中，半导体器件用于信号的高速 传输和处理。例如，激光二极管用于光纤通
总结词
通过电场控制电流的电子器件

第一章 半导体器件 基础
电子技术分类
模拟电子:模拟信号.分析信号的产生和处理 过程.
数字电子:数字信号.分析输入和输出的逻辑 功能.
重点
1.半导体二极管的单向导电性及特性曲线 2.半导体三极管的电流分配和放大作用 3.半导体三极管的输出特性曲线和三种工作
状态
1.1 半导体基础知识
【结论】掺入的杂质元素的浓度越高， 多数载流子的数量越多，导电能力越强。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的 多少决定于温度。
无论是P型半导体还是N型半导体都是 中性的，对外不显电性。
12
1.1.3 PN 结及其单向导电性
1）PN结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
（2）温度特性
温度增加使导电率大为增加 热敏器件
（3）光照特性
光敏器件 光电器件
光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
1.1.2 杂质半导体 杂质半导体（N型半导体、P型半导体） 在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将
大大增强 1．N型半导体：在纯净半导体硅或锗中掺入磷、
砷等5价元素，靠自由电子导电。
8
1.N型半导体
硅原子 +4
多余电子
+4
磷原子
+4
+4
+4
电子空穴对 自由电子
N型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
+4 +4
++ ++

二极管
半导体二极管就是，ＰＮ结封装ＰＮ端引线的半导体。
P（阳极、正极） N（阴极、负极）
半导体思维导图semiconductor半导体思维导图导电能力不同导体半导体绝缘体半导体思维导图?热敏电阻?ptcntcptcntc?光敏电阻?二极管?三极管三极管热敏性光敏性掺杂性半导体思维导图本征半导体杂质半导体电子n型半导体电子n型半导体本征半导体硅或锗中掺入适量的五价磷p砷aa空穴p型半导体本征半导体硅或锗中掺入适量的三价硼b镓ga铟inpn结二极管半导体二极管就是pn结封装pn端引线的半导体
Semiconductor
半导体思维导图
半导体思维导图
Байду номын сангаас导电能力不同
导体 半导体 绝缘体
半导体思维导图
•热敏电阻 •PTC、NTC
•光敏电阻
•二极管 •三极管
热敏性
光敏性
掺杂性
半导体思维导图
本征半导体 杂质半导体
电子（N）型半导体 本征半导体硅或锗中掺入适量的 五价磷(P)、砷(Aa)
PN结
空穴（P）型半导体 本征半导体硅或锗中掺入适量的 三价硼(B)、镓(Ga)、铟(In)