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1、半导体的基础知识半导体的基础知识 1.3 半导体材料的特点 1.5 二极管 1.6 三极管 1.7 场效应管 第一章 1.4 半导体的分类及能带结构 N 型导电 以电子电子为主要载流子，它是多数载流子 多数载流子 ， 简称为多子， 而空穴则是少数载流子- 少子 P 型导电 以空穴空穴为多子多子， 电子则是少子 本征导电 电子电子、 空穴空穴数量相等，都参与导电 三种导电类型 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 定义：纯净的具有晶体结构的半导体。 导电的特点：即自由电子和空穴均参与导电。 本征激发：半导体在热激发热激发下产生自由电子和空
2、穴 的现象。 本征半导体 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 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。 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。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 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。当温度升高 时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增 多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高）， 导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降 低，导电性能变差。 第一章第一章 半导体
3、的基础知识半导体的基础知识 结论： 本征半导体的导电性能与温度有关。 半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热 敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定 性差的原因。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将当半导体两端加上外电压时，在半导体中将 出现两部分电流出现两部分电流 (1)(1)自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流 (2)(2)价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 自由电子和自由
4、电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。 自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复空穴成对地产生的同时，又不断复 合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到 动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目 。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 注意：注意： (1) (1) 本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少, , 其导电性其导电性 能很差；能很差； (2) (2) 温度愈高，温度愈高， 载流子的数目愈多载流子的数目愈多, , 半半导体导体 的导电性能也就愈好。的导电性能也就愈好。
5、所以，温度对半导体所以，温度对半导体 器件性能影响很大。器件性能影响很大。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 杂质半导体： 在本征半导体中掺入微量杂质 杂质半导体 导电性能发生变化 杂质半导体 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 定义：硅晶体中掺入五价元素（磷、锑） 多子：自由电子掺杂+热激发 少子：空穴热激发 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 定义： 硅晶体中掺入三价元素(硼、铟) 少子:自由电子热激发 多子:空穴掺杂+热激发 总结： 多子：掺杂（主）+热激发 少子：热激发（主） 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 1. 1. 在杂质半导体
6、中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 有关有关 a. a. 掺杂浓度掺杂浓度 b. b.温度温度 2. 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 有关有关 a. a. 掺杂浓度掺杂浓度 b. b.温度温度 3. 3. 当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 a. a. 减少减少 b. b. 不变不变 c. c. 增多增多 4. 4. 在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，P P 型半导体中的电流型半导体中的电流 主要是主要是 ，N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。 a. a. 电子电流电子电流 b. b.空穴电流空穴电流 第一章第一章 半导
7、体的基础知识半导体的基础知识 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 PN结具有单向导电性： 当正向偏置时，有较大的正向电流，电阻 很小，成导通状态； 反向偏置时电流很小（几乎为0），电阻很 大，成截止状态。 总结总结： 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 正向特性（u0） UON：开启/导通电压 硅：0.5V 锗：0.1V 反向特性 (u 6 eV Eg 绝缘体半导体 价带 导带 导体 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强
8、弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需 要的最小能量。 Si的原子序数比Ge的小，则Si的价电子束缚得 较紧，所以Si的禁带宽度比Ge的要大一些。 GaAs的价键还具有极性，对价电子的束缚更 紧，所以GaAs的禁带宽度更大。 GaN、SiC等所谓宽禁带半导体的禁带宽度更 要大得多，因为其价键的极性更强。 举例 Ge、Si、GaAs、GaN和金刚石的禁带宽度在室温 下分别为0.66eV、1.12 eV、1.42 eV、3.44 eV和 5.47 eV。 直接带隙和间接带隙 直接带隙 间接带隙 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 直接带隙半导体材料直接带隙半导体材料 导带最小值(导
9、带底)和满带最大值在k空间中同一 位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空 穴(形成半满能带)只需要吸收能量。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 间接带隙半导体材料间接带隙半导体材料: : 导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不 同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要 改变动量。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 直接带隙和间接带隙半导体的对比分析 价带的极大值和导带的极 小值都位于k空间的原点 上 价带的电子跃迁到导带时 ，只要求能量的改变，而 电子的准动量不发生变化 ，称为直接跃迁 直接跃迁对应的半导体材 料称为直接禁带半导体 例子：GaAs，GaN
10、， ZnO 价带的极大值和导带的极 小值不位于k空间的原点 上 价带的电子跃迁到导带时 ，不仅要求电子的能量要 改变，电子的准动量也要 改变，称为间接跃迁 间接跃迁对应的半导体材 料称为间接禁带半导体 例子：Si，Ge 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 直接跃迁和间接跃迁 考虑到光子的动量较小，可以忽略; 因而电子吸收或放出一个光子，发生跃迁时电子 的动量基本不变; 单纯的光跃迁过程是直接跃迁，效率高; 间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而 发生间接跃迁的概率要小得多 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 GaN是直接带隙的材料，其光跃迁几率比间接 带隙的高一个数
11、量级。因此，宽带隙的GaN基 半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探 测器，以及高温微电子器件方面显示出广阔的 应用前景；对环保，其还是很适合于环保的材 料体系。 阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P型硅 N型硅 ( c ) 平面型 金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线 外壳 ( a ) 点接触型 铝合金小球 N型硅 阳极引线 PN结 金锑合金 底座 阴极引线 ( b ) 面接触型 半导体二极管的结构和符号 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 阴极阳极 ( d ) 符号 D 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 A：阳极/正极 B：阴极/负极 二极管的伏安特性与PN结伏 安特
12、性一致。 二极管主要参数： 1 最大正向电流IF 2 反向击穿电压U（RB） 3 反向电流IR 4 最高工作频率FT 和反 向恢复时间tre 5、 温度影响 A B D 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 1、分析二极管的状态： 导通还是截止-二极管的两端电压：若是反偏则 截止；若是正偏还要看P的电压是否比N的电压 高Uon（导通电压）是则导通，否则截止。若是 理想二级管，Uon=0V。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 2、二极管导通则相当于一导线（理想状态）或一 个小电阻（非理想状态）；截止则相当于断开的 开关。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 u
13、u 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极 接负）时，接负）时， 二极管处于二极管处于正向导通状态正向导通状态，二极管正，二极管正 向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。 uu 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极 接正接正 ）时，）时， 二极管处于二极管处于反向截止状态反向截止状态，二极管反，二极管反 向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。 二极管二极管的单向导电性的单向导电性 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 uu 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，外
14、加电压大于反向击穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。失去单向导电性。 uu 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高 反向电流愈大。反向电流愈大。( (温度越高，载流子数目越多温度越高，载流子数目越多) ) 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 作用：一种将交流电能转变为直流电能的半导体器 件。整流二极管的作用是利用其单向导电性，将交 流电变成直流电。 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 整流二 极管 硅管 锗管 高频整流二极管 低频整流二
15、极管 大功率整流二极管 中、小功率整流二极管 金属封装 塑料封装 玻璃封装 表面封装 整流二 极管 封装类型 稳压二极管又叫齐纳二极管;此二 极管是一种直到临界反向击穿电压 前都具有很高电阻的半导体器件. 在这临界击穿点上,反向电阻降低 到一个很少的数值,在这个低阻区 中电流增加而电压则保持恒定,稳 压二极管是根据 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被 作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性,稳 压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用 ,通过串联就可获得更多的稳定电压. 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 LED定义： LED显示屏（LED panel）： LED就是light emitting diode ， 发光二极管的英文缩写，简 称L
