1.1半導體的主要特征

1、 1.1.1 本征半導體本征半導體 導體：導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體導體，金屬，金屬 一般都是導體。一般都是導體。 絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。 半導體：半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣 體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵 和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。 一、一、導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體 2 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)

2、基礎模擬電子技術(shù)基礎 +14 284 Si 硅原子結(jié)構(gòu)示意圖硅原子結(jié)構(gòu)示意圖 +32 28 18 Ge 鍺原子結(jié)構(gòu)示意圖鍺原子結(jié)構(gòu)示意圖 4 原子結(jié)構(gòu)示意圖原子結(jié)構(gòu)示意圖 +4 硅、鍺原子硅、鍺原子 的簡化模型的簡化模型 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 平面結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu) 立體結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu) +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 1. 本征半導體本征半導體 本征半導體就是本征半導體就是完全純凈的完全純凈的半導體半導體 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 共價鍵共價鍵 價電子價電子

3、上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 本本 征征 半半 導導 體體 受受 熱熱 或或 光光 照照 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 本本 征征 激激 發(fā)發(fā) 產(chǎn)產(chǎn) 生生 電電 子子 和和 空空 穴穴 自由電子自由電子 空穴空穴 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 電子空穴電子空穴 成對產(chǎn)生成對產(chǎn)生 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +

4、4 +4 +4+4 +4 +4 +4 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 電子空穴電子空穴 復合，成復合，成 對消失對消失 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 動畫動畫1010 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 本征激發(fā)使本征激發(fā)使空穴空穴和和自由電子自由電子成對產(chǎn)生。成對產(chǎn)生。 相遇相遇復合復合時，又時，又成對成對消失。消失。 小結(jié)小結(jié) 空穴濃度（空穴濃度（np)=電子濃度電子濃度(nn) 溫度溫度T一定時一定時 np nn=K(T) K(T) 與溫度有關(guān)的常數(shù)與

5、溫度有關(guān)的常數(shù) 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 在在 外外 電電 場場 作作 用用 下下 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 電電 子子 運運 動動 形形 成成 電電 子子 電電 流流 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上頁上頁 下頁下頁

6、返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 價電子填價電子填 補空穴而補空穴而 使空穴移使空穴移 動，形成動，形成 空穴電流空穴電流 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 動畫動畫1919 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 (1) 在半導體中有兩種在半導體中有兩

7、種載流子載流子 這就是這就是半導體和金屬導電半導體和金屬導電原理的原理的 本質(zhì)區(qū)別本質(zhì)區(qū)別 a. 電阻率大電阻率大 (2) 本征半導體的特點本征半導體的特點 b. 導電性能隨溫度變化大導電性能隨溫度變化大 小結(jié)小結(jié) 帶正電的帶正電的空穴空穴 帶負電的帶負電的自由電子自由電子 本征半導體不能在半導體器件中直接使用本征半導體不能在半導體器件中直接使用 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 1.1.2N型半導體和型半導體和P型半導體型半導體 在在本征半導體本征半導體硅或鍺中硅或鍺中摻入微量摻入微量的其它適當?shù)钠渌m當元元 素素后所形成的半導體后所形成的半導體 根據(jù)摻雜的不同，

8、雜質(zhì)半導體分為根據(jù)摻雜的不同，雜質(zhì)半導體分為 N型導型導體體 P型導型導體體 (1) N型半導體型半導體 摻入五價雜質(zhì)元素（如磷、砷）的雜質(zhì)半導體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷、砷）的雜質(zhì)半導體 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 摻入少量五價雜質(zhì)元素磷摻入少量五價雜質(zhì)元素磷 P P 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4P P 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 多出多出 一個一個 電子電子 出現(xiàn)出現(xiàn) 了一了一 個正個正 離子離

9、子 +4+4 +4 +4 +4+4+4 +4P P 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 半導體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子半導體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 動畫動畫2626 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎

10、模擬電子技術(shù)基礎 c. 電子是多數(shù)載流子，簡稱多子電子是多數(shù)載流子，簡稱多子; ;空穴是少數(shù)載流空穴是少數(shù)載流 子，簡稱少子。子，簡稱少子。 e. 因電子帶負電，稱這種半導體為因電子帶負電，稱這種半導體為N(negative)型或型或 電子型半導體。電子型半導體。 f. 因摻入的雜質(zhì)給出電子，又稱之為施主雜質(zhì)。因摻入的雜質(zhì)給出電子，又稱之為施主雜質(zhì)。 b. N型半導體中型半導體中產(chǎn)生了大量的產(chǎn)生了大量的( (自由）電子和正離子自由）電子和正離子。 小結(jié)小結(jié) d. np nn=K(T) a. N型半導體是在本征半導體中型半導體是在本征半導體中摻入少量五價雜質(zhì)摻入少量五價雜質(zhì) 元素形成的。元素形成

11、的。 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 (2) P型半導體型半導體 在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素三價雜質(zhì)元素，如硼等。如硼等。 B B +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4B B 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 出出 現(xiàn)現(xiàn) 了了 一一 個個 空空 位位 +4+4 +4 +4 +4+4 B B +4 +4 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 +4+4 +4 +4 +4+4

12、 B B +4 +4 負離子負離子 空穴空穴 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 半導體中產(chǎn)生了大量的空穴和負離子半導體中產(chǎn)生了大量的空穴和負離子 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 動畫動畫3333 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基

13、礎 c. 空穴是多數(shù)載流子空穴是多數(shù)載流子, ,電子是少數(shù)載流子。電子是少數(shù)載流子。 e. 因空穴帶正電，稱這種半導體為因空穴帶正電，稱這種半導體為P(positive)型或型或 空穴型半導體。空穴型半導體。 f. 因摻入的雜質(zhì)接受電子，故稱之為受主雜質(zhì)。因摻入的雜質(zhì)接受電子，故稱之為受主雜質(zhì)。 a. P型半導體是在本征半導體中型半導體是在本征半導體中摻入少量的三價摻入少量的三價 雜質(zhì)元素形成的。雜質(zhì)元素形成的。 b. P型半導體型半導體產(chǎn)生大量的空穴和負離子產(chǎn)生大量的空穴和負離子。 小結(jié)小結(jié) d. np nn=K(T) 上頁上頁 下頁下頁返回返回 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎 當摻入三價

14、元素的密度大于五價元素的密度時，可當摻入三價元素的密度大于五價元素的密度時，可 將將N型轉(zhuǎn)為型轉(zhuǎn)為P型；型； 雜質(zhì)半導體的轉(zhuǎn)型雜質(zhì)半導體的轉(zhuǎn)型 當摻入五價元素的密度大于三價元素的密度時，可當摻入五價元素的密度大于三價元素的密度時，可 將將P型轉(zhuǎn)為型轉(zhuǎn)為N N型。型。 說明：說明： 1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決 定少數(shù)載流子的濃度。定少數(shù)載流子的濃度。 3. 雜質(zhì)半導體總體上保持電中性。雜質(zhì)半導體總體上保持電中性。 4. 雜質(zhì)半導體的表示方法如下圖所示。雜質(zhì)半導體的表示方法如下圖所示。 2. 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體載流子的數(shù)目載流子的數(shù)目要

15、遠遠高于本征半導要遠遠高于本征半導 體，因而其導電能力大大改善。體，因而其導電能力大大改善。 ( (a) )N 型半導體型半導體 ( (b) ) P 型半導體型半導體 圖圖 雜質(zhì)半導體的的簡化表示法雜質(zhì)半導體的的簡化表示法 37 在一塊半導體單晶上一側(cè)摻雜成為在一塊半導體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導體，型半導體， 另一側(cè)摻雜成為另一側(cè)摻雜成為 N 型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形 成了一個特殊的薄層，成了一個特殊的薄層，稱為稱為 PN 結(jié)結(jié)。 P NPN結(jié)結(jié) 圖圖 PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 一、一、PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 1.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ?/p>

16、性 38 華成英 物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣 體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。 擴散運動擴散運動 P區(qū)空穴區(qū)空穴 濃度遠高濃度遠高 于于N區(qū)。區(qū)。 N區(qū)自由電區(qū)自由電 子濃度遠高子濃度遠高 于于P區(qū)。區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面 N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。 華成英 PN 結(jié)的形成 因電場作用所產(chǎn)因電場作用所產(chǎn) 生的運動稱為漂移生的運動稱為漂移 運動。運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)參與擴

17、散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài) 平衡，就形成了平衡，就形成了PN結(jié)。結(jié)。 漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成 內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P 區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運動。區(qū)運動。 華成英 PN結(jié)加正向電壓導通：結(jié)加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加耗盡層變窄，擴散運動加 劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形 成擴散電流，成擴散電流，PNPN結(jié)處于導通結(jié)處于導通 狀態(tài)。狀態(tài)。 PN結(jié)加反向電

18、壓截止：結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動， 有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電 流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似 認為其截止。認為其截止。 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?必要嗎？必要嗎？ 擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散與漂移的動態(tài)平衡 擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減小；擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減?。?隨著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加；隨著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加； 當擴散電流與漂移電流相等時，當擴散電流與漂移電流相等時，PN 結(jié)總的電流等結(jié)總的電流等 于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。于零，空間電荷區(qū)的

19、寬度達到穩(wěn)定。 對稱結(jié)對稱結(jié) 即即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。 P N 不對稱結(jié)不對稱結(jié) 42 耗盡層耗盡層 圖圖 1.1.7PN 結(jié)加反相電壓時截止結(jié)加反相電壓時截止 反向電流又稱反向電流又稱反向飽和電流反向飽和電流。對溫度十分敏感對溫度十分敏感， 隨著溫度升高，隨著溫度升高， IS 將急劇增大將急劇增大。 P N 外電場方向外電場方向 內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向 VR IS 43 當當 PN 結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大 的正向電流，的正向電流， PN 結(jié)處于結(jié)處于 導通狀態(tài)導通狀態(tài)； 當當 PN 結(jié)反向偏置時，回路中反

20、向電流非常結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常 小，幾乎等于零，小，幾乎等于零， PN 結(jié)處于結(jié)處于截止狀態(tài)截止狀態(tài)。 ） 綜上所述：綜上所述： 可見，可見， PN 結(jié)具有結(jié)具有單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦浴?44 第一課 電阻元件 電感元件 電容元件 1.1.4具有特殊性能的半導體器件具有特殊性能的半導體器件 敏感電阻是指那些電阻特性對敏感電阻是指那些電阻特性對外界溫度、電外界溫度、電 壓、機械力、亮度、濕度、磁通密度、氣體濃度壓、機械力、亮度、濕度、磁通密度、氣體濃度 等物理量反映敏感的電阻元件。等物理量反映敏感的電阻元件。 它們常用于它們常用于檢測檢測和和控制控制相應物理量的裝置中，相應物理量的裝置

21、中， 是自動檢測和自動控制中不可缺少的組成部分。是自動檢測和自動控制中不可缺少的組成部分。 按輸入、輸出關(guān)系，敏感電阻器可分為按輸入、輸出關(guān)系，敏感電阻器可分為“緩緩 變型變型”和和“突變型突變型”兩種。兩種。 第一課 電阻元件 電感元件 電容元件 A. 熱敏電阻熱敏電阻 熱敏電阻通常由單晶或多晶等半導體材料構(gòu)成，熱敏電阻通常由單晶或多晶等半導體材料構(gòu)成，是以鈦是以鈦 酸鋇為主要原料，輔以微量的鍶、鈦、鋁等化合物加工制成酸鋇為主要原料，輔以微量的鍶、鈦、鋁等化合物加工制成 的。的。它是一種電阻值隨溫度變化的電阻，可分為阻值隨溫度它是一種電阻值隨溫度變化的電阻，可分為阻值隨溫度 升高而減小的負溫

22、度系數(shù)熱敏電阻（升高而減小的負溫度系數(shù)熱敏電阻（MF）和阻值隨溫度升）和阻值隨溫度升 高而升高的正溫度系數(shù)熱敏電阻（高而升高的正溫度系數(shù)熱敏電阻（MZ），有緩變型和突變），有緩變型和突變 型。型。 主要用于溫度測量，溫度控制（主要用于溫度測量，溫度控制（電磁灶控溫電磁灶控溫），），火災報火災報 警警，氣象探空，微波和激光功率測量，在收音機中作溫度補，氣象探空，微波和激光功率測量，在收音機中作溫度補 償，在電視機中作消磁限流電阻。償，在電視機中作消磁限流電阻。 其符號為：其符號為： 第一課 電阻元件 電感元件 電容元件 B. 光敏電阻（光敏電阻（MG） 光敏電阻是將對光敏感的材料涂在玻璃上，引出電極制光敏電阻是將對光敏感的材料涂在玻璃上，引出電極制 成的。根據(jù)材料不同，可制成對某一光源敏感的光敏電阻。成的。根據(jù)材料不同，可制成對某一光源敏感的光敏電阻。 它是利用半導體光敏效應制成的一種元件。電阻值隨入它是利用半導體光敏效應制成的一種元件。電阻值隨入 射光線的強弱而變化，光線越強，電阻越小。無光照射時，射光線的強弱而變化，光線越強，電阻越小。無光照射時， 呈現(xiàn)高阻抗，阻值可達呈現(xiàn)高阻抗，阻值可達1.5M以上；有光照射時，材料激發(fā)以上；有光照射時，材料激發(fā) 出自由電子和空穴，其電阻值減小，隨著光強度的增加，阻出自由電子和空穴，其電阻值減小，隨著光強度的增加，阻 值可小至值可小