1.1.1

半導(dǎo)體材料

1.

半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

2.

本征半導(dǎo)體

1.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制1.1半導(dǎo)體的基本知識典型的半導(dǎo)體材料

元素 硅（Si）、鍺（Ge）化合物 砷化鎵（GaAs）摻雜元素或化合物 硼（B）、磷（P）1.1.1

半導(dǎo)體材料:導(dǎo)電能力介于導(dǎo)電與不導(dǎo)電之間半導(dǎo)體有溫敏、光敏和摻雜等導(dǎo)電特性。根據(jù)物體導(dǎo)電能力，來劃分導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體

絕緣體導(dǎo)電能力用電阻率(或電導(dǎo)率）來描述：導(dǎo)體＜10-4Ωcm絕緣體＞109Ωcm導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的劃分半導(dǎo)體硅14、鍺3214原子核電子價電子硅的原子結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)電子不僅圍繞在原子核運動,而且出現(xiàn)在相臨原子的軌道,成為公用電子,這樣的組合就稱為共價鍵本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈（99.99999％）的半導(dǎo)體單晶體。須在單晶爐中提煉得到。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制：

自由電子和空穴對——熱激發(fā)或光照使價電子獲得掙脫共價鍵束縛的能量，成為自由電子，同時共價鍵中留下一個空穴。（1）外電場使自由電子導(dǎo)電（2）同時也使相鄰共價鍵中受束縛的價電子依次充填空穴，產(chǎn)生空穴的移動效果而導(dǎo)電本征半導(dǎo)體內(nèi)電子和空穴濃度相等載流子:運載電荷的粒子本征半導(dǎo)體有兩種載流子：自由電子和空穴本征激發(fā):半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象。復(fù)合:自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補(bǔ)空穴，使兩者同時消失.動態(tài)平衡:

在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，在一定溫度下，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。(濃度公式P11)1.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的摻雜在本征半導(dǎo)體中人為摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。在提煉單晶的過程中一起完成。摻雜是為了顯著改變半導(dǎo)體中的自由電子濃度或空穴濃度，以明顯提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。三價元素?fù)诫s——P型半導(dǎo)體在硅（鍺）單晶中摻入少量三價元素硼，或鋁、銦、鎵等，三價元素原子在晶格中缺少一個價電子，從而造成一個空位空位很容易俘獲鄰近四價原子的價電子，即在鄰近產(chǎn)生一個空穴，空穴可以參與導(dǎo)電?？瘴环@電子后，使雜質(zhì)原子成為負(fù)原子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)(受主原子)。負(fù)離子束縛于晶格中，不參與導(dǎo)電。摻雜后P型半導(dǎo)體中的空穴濃度等于摻雜濃度，

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，它仍由熱激發(fā)形成。五價元素?fù)诫s——N型半導(dǎo)體在硅（鍺）單晶中摻入少量五價元素磷，或砷、銻等，則五價元素原子在晶格中多余一個價電子多余價電子容易成為自由電子，可以參與導(dǎo)電。提供自由電子后的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子稱為施主雜質(zhì)(施主原子)。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子(多子)，它主要由摻雜形成；空穴是少數(shù)載流子(少子)，它仍由熱激發(fā)形成。

PN結(jié)：空間電荷區(qū)、耗盡層、勢壘區(qū)、阻擋層

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕蔡匦约捌浔磉_(dá)式

PN結(jié)的其它性質(zhì)－反向擊穿、電容效應(yīng)本節(jié)中的有關(guān)概念

1.1.1

PN結(jié)的形成

1.1.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.1.3

PN結(jié)的反向擊穿

1.1.4

PN結(jié)的電容效應(yīng)1.1PN結(jié)的形成及特性1.1.1

PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成條件兩種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體共居于同一塊半導(dǎo)體單晶中，在交界面上形成PN結(jié)工藝簡介：（1）合金法

（2）電形成法

（3）平面擴(kuò)散法（1）兩邊的濃度差引起載流子的擴(kuò)散運動（2）復(fù)合形成內(nèi)電場：阻擋擴(kuò)散，促使漂移（3）擴(kuò)散和漂移動態(tài)平衡：PN結(jié)（空間電荷區(qū)、阻擋層、耗盡層）

負(fù)離子區(qū)與正離子區(qū)的寬度也相等(濃度相同)，稱為對稱結(jié)。

PN結(jié)的形成過程因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。平衡PN結(jié)中擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等而方向相反，所以外觀PN結(jié)中沒有電流。多子的擴(kuò)散運動

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)小結(jié)考慮外加電壓于PN結(jié)上，根據(jù)外加電壓的極性有兩種情況PN結(jié)加正向偏置電壓（正偏）：PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況1.1.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧与妷菏箖?nèi)電場減小以致

阻擋層變窄多子形成的擴(kuò)散電流增加漂移電流減小從電源正極有流入P區(qū)的正向電流P區(qū)接電源正極，或使P區(qū)的電位高于N區(qū)

2

PN結(jié)加反向偏置電壓（反偏,截止)

PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況由于在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。N區(qū)接電源正極，或使得N區(qū)的電位高于P區(qū)外加電壓使內(nèi)電場增加以致

阻擋層加寬擴(kuò)散電流進(jìn)一步減小趨于零少子形成的漂移電流居支配地位從電源正極有流入N區(qū)的很小的反向電流

其中PN結(jié)的伏安特性(正向特性/反向特性)IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量常溫下（T=300°K）3PN結(jié)V-I特性（伏安特性）表達(dá)式vD——PN結(jié)外加電壓PN結(jié)正偏時，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻；PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)反偏時，僅有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻。PN結(jié)截止∴PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?結(jié)論當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。1.1.3

PN結(jié)的反向擊穿PN結(jié)的反向擊穿現(xiàn)象擊穿的物理本質(zhì)（1）雪崩擊穿：碰撞電離（2）齊納擊穿：場致激發(fā)（3）熱擊穿：PN結(jié)過熱強(qiáng)電場將阻擋層內(nèi)中性原子的價電子直接變?yōu)樽杂呻娮庸β蕮p耗

PN結(jié)溫升高本征激發(fā)加劇反向電流更大連鎖反應(yīng)反向電壓增加少子漂移加快動能增加碰撞電離連鎖反應(yīng)

勢壘電容示意圖電容是電荷在兩個極板間的積累效應(yīng)。外加電壓變化勢壘層寬度變化積累在勢壘層的電荷變化1、勢壘電容CB

：PN結(jié)內(nèi)載流子的復(fù)合相當(dāng)于電荷的積累，所以PN結(jié)呈現(xiàn)電容效應(yīng)正偏和反偏時都有CB。正向電壓越大，CB越大。1.2.4

PN結(jié)的電容效應(yīng)擴(kuò)散電容示意圖2、擴(kuò)散電容CD：載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域的擴(kuò)散，必須有濃度差，即P(N)區(qū)有電荷的積累。外加電壓變化P(N)區(qū)濃度差變化正偏時才存在CD。正向電流越大，CD越大1.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)：空間電荷區(qū)、耗盡層、勢壘區(qū)、阻擋層

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕蔡匦约捌浔磉_(dá)式

PN結(jié)的其它性質(zhì)－反向擊穿、電容效應(yīng)本節(jié)中的有關(guān)概念

1.2.1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

1.2.2

二極管的伏安特性

1.2.3

二極管的參數(shù)實物圖片1.2半導(dǎo)體二極管

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個分立的半導(dǎo)體二極管元件。1.2.1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)（物理形態(tài)）根據(jù)制造材料的不同，有硅和鍺兩種不同種類的二極管，兩者性能上也有差異。根據(jù)制造工藝的不同，二極管有不同結(jié)構(gòu)，分別適用于不同應(yīng)用場合。

(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(1)點接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(b)面接觸型(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于大電流整流電路。(c)平面型(4)二極管的代表符號(3)平面型二極管往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。

(1)二極管元件的伏安特性曲線逐點測量1.2.2

二極管的伏安特性(2)二極管元件的伏安特性公式表示

鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性硅二極管2CP10的V-I特性反向擊穿特性反向特性正向特性與PN結(jié)的伏安特性類似而不完全相同硅管的正向壓降0.5-0.7伏，鍺管的正向壓降0.2-0.3伏硅管的反向電流極小，鍺管的反向電流較大正向:溫度升高

PN結(jié)電壓減?。?2.5mV/℃）反向:溫度升高反向電流增大（）

二極管的分類1.2.3

二極管的參數(shù)按材料：硅二極管、鍺二極管按結(jié)構(gòu)：點接觸、面結(jié)合按用途：整流管、檢波管、穩(wěn)壓管、開關(guān)管(國標(biāo))：國產(chǎn)二極管的命名方案

最大整流電流（平均值）IF

允許通過的最大正向平均電流。(2)（最大整流電流時的）正向壓降VF(3)反向電流IR：未擊穿(4)反向擊穿電壓VBR(5)最高反向工作電壓VRM二極管的直流參數(shù)（工作參數(shù)和極限參數(shù)）(6)最高工作頻率

PN結(jié)構(gòu)造與二極管結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性：正向、反向、擊穿

二極管的參數(shù)定義：直流、交流、極限

分立晶體管元件參數(shù)的典型值及離散性本節(jié)中的有關(guān)概念{end}半導(dǎo)體二極管圖片1半導(dǎo)體二極管圖片2半導(dǎo)體二極管圖片31.2.4二極管的等效電路能夠模擬二極管特性的電路稱為二極管的等效電路。也稱為等效模型

(根據(jù)器件物理原理/根據(jù)器件特性)。由伏安特性折線化得到的等效電路如圖1.2.4所示。圖1.2.4由伏安特性折線化得到的等效電路一.伏安特性實線是折線化的伏安特性曲線，虛線是實際伏安特性曲線

1.理想模型3.折線模型

2.恒壓降模型一.由伏安特性折線化得到的等效電路

根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300°K）即二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。

3.5.1

穩(wěn)壓二極管1.符號及穩(wěn)壓特性(a)符號(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電壓擊穿狀態(tài)。－－雪崩和齊納特性1.2.5特殊二極管＊擊穿曲線很陡,幾乎平行縱軸,表現(xiàn)出穩(wěn)定性(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流