第1章 半导体器件.ppt

反向击穿电压：二极管在反向电压作用下， 能够承受的最大电压
开关速度：二极管从正向导通到反向截止 的时间
反向漏电流：二极管在反向电压作用下， 流过二极管的电流
噪声系数：二极管在信号传输过程中产生 的噪声大小
晶体管的特性参数与性能指标
输出电阻：ro，表示晶体管 输出端的电阻
频率特性：fT，表示晶体管 能够工作的最高频率
使用注意事项：在使用二极 管时，需要注意二极管的极 性，避免接反导致电路损坏
散热问题：在使用二极管时， 需要注意二极管的散热问题， 避免过热导致电路损坏
晶体管的选用与使用注意事项
晶体管类型：根据电路需求选择合适的晶体管类型，如NPN、PNP、 MOSFET等。
工作频率：选择工作频率满足电路需求的晶体管，避免频率过高导致晶 体管损坏。
06
半导体器件的选用与使 用注意事项
二极管的选用与使用注意事项
选用原则：根据电路要求选 择合适的二极管类型和参数
正向导通电压：选择二极 管时，需要考虑正向导通 电压与电路电压的匹配
反向耐压：选择二极管时， 需要考虑反向耐压与电路电 压的匹配
反向漏电流：选择二极管时， 需要考虑反向漏电流与电路 要求的匹配
稳定性： 指集成电 路在正常 工作状态 下的稳定 性能
集成电路 的封装形 式：包括 DIP、 QFP、 BGA等
集成电路 的应用领 域：包括 消费电子、 通信、汽 车电子等
场效应管的特性参数与性能指标
栅极电压：控制场效应管的导通和关断 漏极电流：场效应管的输出电流 输入阻抗：场效应管的输入阻抗高，可以减少信号损失 输出阻抗：场效应管的输出阻抗低，可以减少信号损失 开关速度：场效应管的开关速度快，可以减少信号损失 功耗：场效应管的功耗低，可以减少能源消耗

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•常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
模拟电子技术基础(杨素行)第一章半 导体器件
• 本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某 些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个 价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只 受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。
• 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
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•(a)N 型半导体
•(b) P 型半导体
•图 1.1.6 杂质半导体的的简化表示法
模拟电子技术基础(杨素行)第一章半 导体器件
•1.2 半导体二极管
•1.2.1 PN 结及其单向导电性
• 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另 一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了 一个特殊的薄层，称为 PN 结。
• 自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力， 但很微弱。
•T
•+4
•+4
•空 •+4 穴 •+4
•+4
•+4
•+4 •自由电 子
•+4
•+4
• 空穴可看成带正电的 载流子。
•图 1.1.3 •
本征半导体中的 自由电子和空穴
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模拟电子技术基础(杨素行)第一章半 导体器件
•1. 半导体中两种载流子
•I / mA
•60
•40 •死 区电
•20 压 •0 •0.4 •0.8 •U / V
•正向特性
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模拟电子技术基础(杨素行)第一章半 导体器件
•2. 反向特性 • 二极管加反向电压， 反向电流很小； • 当电压超过零点几伏 后，反向电流不随电压增加

Cb
• d
S
式中ε是介质常数，S是PN结的面积，d是PN结的宽度。
❖ 扩散电容Cd
Cd是PN结正向电压变化时， 多数载流子在扩散过程中积累 引起的。反向偏置时，以扩散 电容Cd为主。
PN结正偏时，多数载流子扩 散到对方成为对方区域中的“少 子” (称为“非平衡少子”）这 些少子在正偏电压变化时，也有 堆积与泄放的过程。
＋4
＋4
＋4
电流是电子电流和空穴电流之和，
(而导体只有自由电子导电)。
图 1.1.2 电子-空穴对的产生和空穴的移动
在本征半导体中不断地进行着激发与复合 两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态 达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对， 与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为 动态平衡状态（热平衡）。 半导体中自由 电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载 流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态 下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管
有关半导体的基本概念
• 本征半导体、杂质半导体 • 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体 • 自由电子、空穴 • 多数载流子、少数载流子
§ 1.1 半导体基础知识
自然界的物质按其导电能力可分为导体、半导 体和绝缘体三类。常用的半导体材料有硅（Si）和 锗（Ge）。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。
1.2.4. 二极管的等效电路
(a)理想二极管
(b)正向导通时端电压为常量 (c)正向导通时端电压与电流成线性关系
图１．２．４由伏安特性折线化得到的等效电路

制造三极 管时应具 备的结构
特点
1.3.2 三极管的电流放大作用
• 1.三极管的工作条件
• 二极管的主要性能是单向导电性，三极管的主要 性能是具有电流放大作用。三极管具有放大作用 的外部条件是必须外加合适的偏置电压，使三极 管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置 。
• 2.三极管的电流放大作用
1.3.6 片状三极管器件
• 1.片状三极管外形
• 额定功率在100～200mW的小功率三极管采用 SOT-23形式封装，大功率三极管多采用SOT-89 形式封装
1.3.6 片状三极管器件
• 2.带阻片状三极管
• 带阻片状三极管是指在三极管的管芯内加入一 只电阻或两只电阻
1.3.6 片状三极管器件
（1）肖特基二极管
常见的肖 特基二极 管封装形
式
• （2）稳压二极管
• 稳压值在2～30V，额定功率为0.5W的片状稳
压二极管的封装多采用SOT-23形式，额定功率为 1W的多采用SOT-89（1W）形式封装。
• （3）开关二极管
• 该类管子用于数字脉冲电路及电子开关电路，片 状开关管分为单开关二极管和复合开关二极管两 大类
第1章 常用半导体器件
本章要点
本章导读： 半导体二极管、三极管、场效应管 是电子电路中的重要元件，本章将讨 论它们的结构、工作原理、特性、主 要参数及检测方法，为以后学习各种 电路打下基础
1.1 半导体和PN结
• 1.1.1 半导体
按导电能力的 大小划分
导体、半导体和绝缘体
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体之所 以得到广泛的应用，是因为人们发现半导体具有三个奇 妙且可贵的特性:掺杂性、热敏性、光敏性。

《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性

退出
注意： 注意： 半导体与导体不同， 半导体与导体不同，内部有两种载 流子参与导电——自由电子与空穴。在 流子参与导电 自由电子与空穴。 自由电子与空穴 外加电场的作用下， 外加电场的作用下，有： I=In（电子电流）+Ip（空穴电流） 电子电流） 空穴电流） 空穴导电的实质是价电子的定向移动！ 空穴导电的实质是价电子的定向移动！
这四个价电子不仅受自身原子核的束缚， 这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻 原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示： 原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示： 价电子（热激发） 价电子（热激发） 自由电子-空穴对 自由电子 空穴对 复合 平衡
（1）温度越高，自由电子 空穴 ）温度越高，自由电子-空穴 对数目越多； 对数目越多； 空穴数目相等， （2）自由电子 空穴数目相等， ）自由电子-空穴数目相等 对外不显电性。 对外不显电性。 硅（锗）原子在晶体中的共价键排列
退出
1.1.1 半导体的特点
1.半导体的特点 半导体的特点 半导体是制造电子器件的主要原料， 半导体是制造电子器件的主要原料，它的广泛应用不是 因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间， 因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是它的电阻率 可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。 可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。
第 1 章
半导体元件及其特性
半导体基础知识与PN结 半导体基础知识与 结 二极管 晶体管 场效应管 本章小结
退出
1.1
半导体基础知识 PN结 与PN结
主要要求： 主要要求：
了解半导体材料的基本知识 了解半导体材料的基本知识 半导体 理解关于半导体的基本概念 理解关于半导体的基本概念 半导体 理解PN结的形成 理解PN结的形成 PN 掌握PN结的单向导电作用 掌握PN结的单向导电作用 PN

着掺杂浓度的提高，载流子的迁移率发生明显的下降。
半导体物理与器件
下图所示为室温（300K）条件下锗单晶材料中电子和空穴
的迁移率随总的掺杂浓度的变化关系曲线。从图中可见，随
着掺杂浓度的提高，锗材料中载流子的迁移率也发生所示为室温（300K）条件下砷化镓单晶材料中电子和空
I eNAvt

Nev v
A
At
E
A
v
eN
V
载流子浓度
单位电量
半导体物理与器件
J drf eNv E
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外
加电场成正比，即：
v E
J drf eNv eN E
其中μ称作载流子的迁移率。
因而有电导率和迁移率的关系： 迁移率的定义表明：载
半导体物理与器件
第五章
载流子输运现象
本章学习要点：
了解载流子漂移运动的机理以及在外电场作用下的漂移电
流；
了解载流子扩散运动的机理以及由于载流子浓度梯度而引
起的扩散电流；
掌握半导体材料中非均匀掺杂浓度带来的影响；
了解并掌握半导体材料中霍尔效应的基本原理及其分析方
法；
半导体物理与器件
输运：载流子的净流动过程称为输运。
获得定向运动动量的速率与通过碰撞失去定向运动动量的
速度保持平衡。
此时晶体中的载流子将在无规则热运动的基础上叠加
一定的定向运动。
半导体物理与器件
我们用有效质量来描述空穴的加速度与外力（电场力）
之间的关系
dv
F m
eE
dt
*
p
v表示电场作用下的粒子速度（漂移速度，不包括热运

A 800Ω + + 0.5V B uo ui 200Ω 3V
1.2.5 稳压二极管
稳压二极管是硅材料制成的面接触型晶体二极管。 1、稳压管的伏安特性 u>UZ时作用同二极管 曲线越陡， 电压越稳定。
i
u增加到UZ 时，稳压管击穿
UZ u IZ
(a)
UZ
IZ
IZM
2、稳压管的主要参数
(1)稳定电压 UZ 规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电 压。 (2)稳定电流 IZ
+ ui -
0.7V 3V
B
+ uo -
[例7] 电路如图所示，设ui=6sinωt V，试绘出输出电压
uo的波形，设D为硅二极管，开启电压Uon=0.5V，电阻
rd=200Ω。 解： VA= ui
VB=3.5V
+ 800Ω ui 3V -
D +
uo -
ui3.5V D截止 uo=ui ui3.5V D导通 ui -0.5 -3 uo= 0.5 +3 + 200 800 +200 =0.2ui +2.8
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。
近似认为多子与杂质浓度相等。
小结
1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。
2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由 电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；
Ge
Si
即为本征半导体 通过一定的工艺过程，可将其制成晶体。
本征半导体的结构示意图
共用电子

晶体管结构示意图
晶体管符号
1.3 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型来自要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
1.3 双极型晶体管
1.3.2晶体管的电流放大作用
晶体管正常工作的外部条件：发射结外加正向电压VBE，集电 结加上较大的反向偏压VCB。
传输过程可分三步： 1）发射区向基区注入载流子， 形成发射结电流IE ； 2）电子在基区扩散和与基区空 穴复合，形成基极电流IB ； 3）集电结收集电子 ，形成集电 极电流ICE
1.3 双极型晶体管
1.3.4 晶体管的主要参数
一、电流放大系数
1）共发射极电流放大系数 直流电流放大系数： IC I B 交流电流放大系数： iC iB |vCE VCE 2）共基极电流放大系数 直流电流放大系数： I C I E 交流电流放大系数： iC iE |vCB VCB
按结构分
1.2 二极管
正极 引线 N 型锗片 负极 引线 铝合金 小球 正极引线 PN 结
N型锗
外壳 触丝
正极 负极 引线 引线
金锑 合金
底座
负极引线
点接触型
面接触型
P N
P 型支持衬底
集成电路中平面型
1.2 二极管
1.2.2 二极管的伏安特性 一、PN结的伏安特性 击穿
iD I R(sat) (e( vD /VT 1)
1.1.4 PN结的特性
一、外加正向电压 外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄， 扩散运动加强，形成了一个流入P区的正向电流 IF 。 二、外加反向电压 外电场使少子背离 PN 结移动，空间电荷区变宽。漂移运动 加强形成反向电流 IR。

当反向电压增加到反向击穿电压 UBR 时，反向电流会急 剧增大，这种现象称为“反向击穿”。反向击穿会破坏二极管 的单向导电性，如果没有限流措施，二极管很可能因电流过 大而损坏。
无论硅管还是锗管，即使工作在最大允许电流下，二极管 两端的电压降一般也都在 0.7 V 以下，这是由二极管的特殊 结构所决定的。所以，在使用二极管时，电路中应该串联限 流电阻，以免因电流过大而损坏二极管。
§1-1 半导体的基本知识 §1-2 半导体二极管
§1-1 半导体的基本知识
学习目标
1. 了解半导体的导电特性。 2. 理解 PN 结正偏、反偏的含义。 3. 掌握 PN 结的单向导电性。
一、半导体的导电特性
物质按导电能力强弱不同可分为导体、半导体和绝缘体三 大类。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。目前，制 造半导体器件用得最多的是硅和锗两种材料。由于硅和锗是 原子规则排列的单晶体，因此用半导体材料制成的半导体管 属于晶体管。
半导体具有不同于导体和绝缘体的导电特性，见表。
半导体的导电特性
纯净的半导体称为本征半导体，它的导电能力是很弱的。 利用半导体的掺杂特性，可制成 P 型和 N 型两种杂质半导体 。
二、PN 结及其单向导电性
1. PN 结 用特殊的工艺使 P 型半导体和 N 型半导体结合在一起，就会在交界处 形成一个特殊薄层，该薄层称为“PN 结”，如图所示。PN 结是制造半导体 二极管、半导体三极管、场效应晶体 管等各种半导体器件的基础。
2. 分类
二极管的种类
二、二极管的伏安特性
为了直观地说明二极管的性质，通常用二极管两端的电压 与通过二极管的电流之间的关系曲线，即二极管的伏安特性 曲线来描述，如图所示。
在下图所示的坐标图中，位于第一象限的曲线表示二极管 的正向特性，位于第三象限的曲线表示二极管的反向特性。

计算机的CPU、内存等核心硬件都离不开半导体器件，如晶体管、电容
、电阻等。
03
消费电子中的半导体器件
手机、电视、音响等消费电子产品中，半导体器件广泛应用于信号处理
、显示控制等方面。
光电器件在通信与显示领域的应用
光纤通信中的光电器件
光纤通信系统中的光电器件，如激光器、光电探测器等，用 于实现高速、大容量的信息传输。
成。
工作原理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
02
通过改变栅极电压来控制源极和漏极之间的电流。
特性
03
具有低噪声、高速、低功耗等优点，常用于高频率信号处理。
04
半导体器件的工作原理
半导体的能带模型
原子能级与能带
描述原子中的电子能级如何形成连续的能带结构。
价带与导带
解释半导体的主要能带特征，包括价带和导带的定义与特性。
禁带宽度
讨论禁带宽度对半导体性质的影响，以及如何利用禁带宽度进行电 子跃迁。
半导体器件的交流参数
阐述半导体器件的交流参数，如频率响应、噪 声系数等。
半导体器件的可靠性参数
介绍半导体器件的可靠性参数，如寿命、稳定性等。
05
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
01
集成电路中的半导体器件
集成电路是现代电子设备的基础，其中的晶体管、二极管等半导体器件
起着关键作用。
02
计算机硬件中的半导体器件
ABCD
通过掺入不同元素，可以 调控半导体的导电类型（ N型或P型）和导电性能 。
在实际应用中，通常将硅 或锗基体材料进行掺杂， 以实现所需的导电性能。
宽禁带半导体材料
宽禁带半导体的特点是其具有高热导率、高击 穿场强和高电子饱和速度等优异性能。

1946年2月14日
Moore School， Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min
– 1946年第一台计算机：ENIAC – 这样的计算机能够进入办公室、车间、连
.
.
.
产业格局与产业结构
• 集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高 可靠地生产出来。 – 集成电路芯片价格：101～102美元 – 生产线的投资： 109美元（8”、0.25微米） – 要想赢利：年产量～108 块
• 集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最 终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没 有价值和高附加值。
.
晶体管的发明
第一只晶体管什么时候发明的?
A. 1945 B. 1947 C. 1951 D. 1958
哪家公司发明的？
A. IBM B. Bell Lab C. TI D. Motorola
.
晶体管的发明
• 1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研 究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H.Brattain。
闸流管模型
thyristor
1958年 Esaki 隧道二极管 1973年诺 贝尔奖
1960
1957年Kroemer 异质结双极晶体管
HBT 2000年诺贝尔奖
1960年 Kahng,Atalla
增强型MOSFET
1962年 Hall, Nathan,Quist 半导体激光器
1967年
Kahng, Sze 非挥发存储 器
• 半导体：Semiconductor 内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法。