第4章 常用半导体器件
第4章常用半导体器件
本章要求了解PN结及其单向导电性，熟悉半导体二极管的伏安特性及其主要参数。理解稳压二极管的稳压特性。了解发光二极管、光电二极管、变容二极管。掌握半导体三极管的伏安特性及其主要参数。了解绝缘栅场效应晶体管的伏安特性及其主要参数。
本章内容目前使用得最广泛的是半导体器件——半导体二极管、稳压管、半导体三极管、绝缘栅场效应管等。本章介绍常用半导体器件的结构、工作原理、伏安特性、主要参数及简单应用。
本章学时6学时
4.1 PN结和半导体二极管
本节学时2学时
本节重点1、PN结的单向导电性；
2、半导体二极管的伏安特性；
3、半导体二极管的应用。
教学方法结合理论与实验，讲解PN结的单向导电性和半导体二极管的伏安特性，通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。
4.1.1 PN结的单向导电性
1. N型半导体和Ｐ型半导体
在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或Ｐ型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。
2.PN结的单向导电性
当PN结加正向电压时，Ｐ端电位高于N端，PN结变窄,而当PN结加反向电压时，Ｎ端电位高于Ｐ端，PN结变宽,视为截止(不导通)。
4.1.2 半导体二极管
1.结构
半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由Ｐ区引出的电极称为阳极，Ｎ区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。
2. 二极管的种类
按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种，点接触型二极管（一般为锗管）其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）其特点是结面积大，结电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。
（a ）符号 （b ）点接触型 （c ）面接触型 （d ）硅平面型 （e ）外形示意图
常用二极管的符号、结构和外形示意图
4.1.3 二极管的伏安特性
1. 正向特性
当外加正向电压很低时，正向电流几乎为零。 当正向电压超过一定数值时，才有明显的正向电
流，这个电压值称为死区电压，通常硅管的死区电压约为0.5V ，锗管的死区电压约为0.2V ，当正
向电压大于死区电压后，正向电流迅速增长，曲
线接近上升直线，在伏安特性的这一部分，当电流迅速增加时，二极管的正向压降变化很小，硅
管正向压降约为0.6～0.7V ，锗管的正向压降约为0.2～0.3V 。 二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高
时，正向特性曲线向左移，这说明，对应同样大小的正向电流，正向压降随温升而减小。研究表明，温度每升高10C ，正向压降减小2mV 。 2. 反向特性
二极管加上反向电压时，形成很小的反向电流，且在一定温度下它的数量基本维持不变，因此，当反向电压在一定范围内增大时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压大小无关，故称为反向饱和电流，一般小功率锗管的反向电流可达几十μA ，而小功率硅管的反向电流要小得多，一般在0.1μA 以下，当温度升高时，少数载流子数目增加，使反向电流增大，特性曲线下移，研究表明，温度每升高100C ，反向电流近似增大一倍。 3.反向击穿特性
当二极管的外加反向电压大于一定数值（反向击穿电压）时，反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上。反向击穿后，电流的微小变化会引起电压很大变化。 4.1.4 二极管的主要参数
１．最大整流电流I DM
二极管长期工作时，允许通过的最大的正向平均电流。 ２．反向工作峰值电压V RM
U RM 是指管子不被击穿所允许的最大反向电压。 ３．反向峰值电流I RM
二极管加反向电压V RM 时的反向电流值，IRM 越小二极管的单向导电性愈好。硅管的反向电流较小，一般在几微安以下，锗管的反向电流较大，为硅管的几十
到几百倍。
４．最高工作频率?M
二极管在外加高频交流电压时，由于ＰＮ结的电容效应，单向导电作用退化。?M 指的是二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率。 4.1.5 二极管的应用
1．整流
所谓整流，就是将交流电变成脉动直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相和三相整流电路，再经过滤波和稳压，就可以得到品平稳的直流电。整流部分的具体应用在后面详述。
2．钳位
利用二极管正向导通时压降很小的特性，
可组成钳位电路，在图中，若A 点电位为零，则二极管导通，由于其压降很小，故F 点的电位也被钳制在A 点电位左右，即U F 约等于零。 3．限幅 利用二极管导通后压降很小且基本不变的特性，可以构成限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。设输入电压u i = U m sinωtV ，则输出电压的正向幅度被限制在U S 值内。
4．二极管门电路
门电路是一种逻辑电路，在输入信号（条件）和输出信号（结果）之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号0和1来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。
4.2 特殊二极管
二极管钳位电路
本节学时 0.5学时
本节重点 稳压二极管结构和伏安特性；
教学方法 结合理论与实验，讲解稳压二极管伏安特性。 教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。 教学内容 4.2.1 稳压管 1.结构
稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作用。稳压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在PN 结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏，而一般二极管击穿后可能造成过热而损坏。 2. 伏安特性曲线
从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较小时，反向电流几乎为零，当反向电压增高到击穿电压U z （也是稳压管的工作电压）时，反向电流I z （稳压管的工作电流）会急剧增加，稳压管反向击穿。在特性曲线ab 段，当I z 在较大范围内变化时，稳压管两端电压U z 基本不变，具有恒压特性，利用这一特性可以起到稳定电压的作用。
3.稳压管的主要参数
（1）稳定电压U Z 稳压管正常工作时，管子两端的电压。
（2）动态电阻r z 稳压管在正常工作范围内，端电压的变化量与相应电流的变
化量的比值。z
z
z I U r ??=
稳压管的反向特性愈陡，r Z 愈小，稳压性能就愈好。 （3）稳定电流I Z 稳压管正常工作时的参考电流值，只有I≥I Z ，才能保证稳压管
有较好的稳压性能。
（4）最大稳定电流 I Zmax 允许通过的最大反向电流，I > I Zmax 管子会因过热而损坏。
（5）最大允许功耗P ZM 管子不致发生热击穿的最大功率损耗P ZM =U Z I Zmax
（6）电压温度系数αV 温度变化10C 时，稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电压温度系数越小，温度稳定性越好，通常硅稳压管在V Z 低于4V 时具有负温度系数,高于6V 时具有正温度系数, U Z 在4～6V 之间，温度系数很小。
稳压管正常工作的条件有两条，一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。 4.2.2 光电二极管
光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个
玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN 结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。
光电二极管的主要参数有：暗电流、光电流、灵敏度、峰值波长、响应时间。 光电二极管作为光控元件可用于物体检测、光电控制、自动报警等方面。大面积的光电二极管可作为一种绿色能源，称为光电池。 4.2.3 发光二极管
发光二极管是一种将电能直接转换成光能的光发射器件，简称LED 它是由镓、
砷、磷等元素的化合物制成。这些材料构成的PN 加上正向电压时，就会发出光来，光的颜色取决于制造所用的材料。
发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为
0.9~1.1V ，其正向工作电压为1.5~2.5V ,工作电流为5~15mA 。反向击穿电压较低，一般小于10V 。
发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示等电路中。
4.3 半导体三极管
本节学时 2学时
本节重点 半导体三极管的伏安特性； 教学方法 结合理论与实验，讲解半导体三极管的伏安特性， 通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。
教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。 教学内容
4.3.1 三极管的基本结构和类型
1. 类型
按功率大小可分为大功率管和小功率管；按电路中的工作频率可分为高频管和低频管；按半导体材料不同可分为硅管和锗管；按结构不同可分为NPN 管和PNP 管。 2. 结构
NPN PNP ，分别称为发射区、基区和集电区，由三个区各引出一个电极，分别称为发射极（E ）、基极（B
）和集电极（C ），发射区和基区之间的PN 结称为发射结，集电区和基区之间的PN 结称为集电结。
在制造工艺上有如下三个特点：一是发射区掺杂浓度大于集电区掺杂浓度，集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度；二是基区很薄，一般只有几微米；三是集电区的截面积大，使的发射区与集电区不可互换。正是这三个特点使三极管具有电流控制和放大作用。
4.3.2 三极管的电流分配关系和放大作用
三极管的发射结加正向电压，集电结反向电压，只有这样才能保证三极管工作在放大状态。结论：
（1）基极电流I B 、集电极电流I C 与发射极电流I E 符合基尔霍夫电流定律，即： I
E = I B + I C
（2）发射极电流I E 和集电极电流I C 几乎相等，但远远大于基极电流I B ，即
I E ≈ I C >>I B
（3）三极管有电流放大作用，体现在基极电流的微小变化会引起集电极电流 较大的变化。
4.3.3 三极管的特性曲线
1．输入特性曲线
常数==CE )(BE B U U f I
常用U CE ≥1V 的一条曲线来代表所有输入特性曲线。和二极管一样三极管的输入伏安特性也是非线性的，也存在着死区电压U T （或称为门槛电压）。硅管的死区电压约为0.5V ，锗管的死区电压约为0.2V 。
三极管导通时，发射结电压U BE 变化不大，硅管约为（0.6~0.7）V ，锗管约为
（0.2~0.3）V 。 2.输出特性曲线
常数
==B )
(CE C I U f I
输出特性曲线可分放大、截止和饱和三个区域。
（1）放大区 ：特性曲线近似水平直线的区域为放大区。在这个区域里发射结正偏，集电结反偏。
（2） 饱和区 ：饱和区是对应于U CE 较小的区域，此时U CE
CC
C CES CC CS R U R U U I ≈-=
基极临界饱和电流： β
S
I I C BS =
当集电极电流I C >I C S 时，认为管子已处于饱和状态。I C
状态。
管子深度饱和时，硅管的U CE 约为0.3V ，锗管约为0.1V , 由于深度饱和时U CE
约等于0，晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。
（3）截止区 ：I B = 0的特性曲线以下区域称为截止区。在这个区域中，集电结处于反偏，U BE ≤0发射结反偏或零偏，即U C >U E ≧U B 。电流I C 很小，（等于反向穿透电流I CEO ）工作在截止区时，晶体管在电路中犹如一个断开的开关。
例1 用直流电压表测得放大电路中晶体管T 1各电极的对地电位分别为U x = +10V
，U y = 0V ，U z = +0.7V ， T2管各电极电位U x = +0V ，U y = -0.3V ，U z = -5V ，试判断
T 1和
T 2
各是何类型、何材料的管子，x 、y 、z 各是何电极？
(a) (b)
解： 根据工作在放大区中晶体管三极之间的电位关系，首先分析出三电极
的最高或最低电位，确定为集电极,而电位差为导通电压的就是发射极和基极。根据发射极和基极的电位差值判断管子的材质。
（1） 在图（a ）中，z 与y 的电压为0.7V ，可确定为硅管，因为U x >U z > U y,，所以x 为集电极，y 为发射极，z 为基极，满足U C >U B > U E ,的关系，管子为NPN 型。
（2）在图（b ）中，x 与y 的电压为0.3V ，可确定为锗管，又因U z
4.3.4 三极管的主要参数
1．电流放大系数
(1)共射直流电流放大系数β。它表示集电极电压一定时，集电极电流和基极
电流之间的关系。即：
B
C
B CEO
C I I I I I ≈-=
β
(2)共射交流电流放大系数β。它表示在UCE 保持不变的条件下，集电极电
流的变化量与相应的基极电流变化量之比，即:
常数
=??=
CE B
C U I I β
在今后估算时常认为ββ=。
2．极间电流
(1)集电极反向饱和电流I CBO 。I CBO 是指发射极开路，集电极与基极之间加反
向电压时产生的电流，也是集电结的反向饱和电流，是由少数载流子形成的。作为晶体管的性能指标，I CBO 越小越好。
(2)穿透电流I CEO 。 I CEO 是基极开路，集电极与发射极间加电压时的集电极电流，由于这个电流由集电极穿过基区流到发射极，故称为穿透电流。在数量上，穿透电流和反向饱和电流有下列关系：
I CEO =（1+β）I CBO 。
在考虑到这个因素时，晶体管工作在放大区设的集电极电流的表达式变为：
I C =βI B +I CEO 。
3．极限参数
(1)集电极最大允许耗散功率P CM
晶体管电流I C 与电压U CE 的乘积称为集电极耗散功率，晶体管在使用时，应保证P C
(2)反向击穿电压U (BR)CEO
反向击穿电压U (BR)CEO 是指基极开路时，加于集电极—发射极之间的最大允许电压，
(3)集电极最大允许电流I CM 。晶体管工作在放大区时，若集电极电流超过一定值时，其β就要显著下降。当β值下降到正常值2/3时的集电极电流，称为晶体管的集电极最大电流，用I CM 表示。
P CM ，U (BR)CEO 和I CM 这三个极限参数决定了晶体管的安全工作区。 4．温度对晶体管参数的影响
(1)温度对I CBO 的影响：一般都按温度每升高10０
C ，I CBO 增大一倍来考虑。
(2)温度对β的影响：以250C 时测得的β值为基数，温度每升高10C ，β增加约
（0.5~1）%。
(3)温度对发射结电压U BE 的影响：温度每升高10C ，|U BE |约减小2~2.5mV 。 例2晶体管均为硅管,β=30，试分析各晶体管的工作状态。
(a) (b) (c)
例2图
解: （1）因为基极偏置电源+6V 大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏，
管子导通,基极电流：
mA 3.97.010110mA 8.3106.130mA 06.15
3
.557.06CES
CS B C B =--=
=?====-=
V I I I I 临界饱和电流：β
因为 I C >I CS ，所以管子工作在饱和区。
（2）因为基极偏置电源-2V 小于管子的导通电压，管子的发射结反偏，管子截止，所以管子工作在截止区。
（3）因为基极偏置电源+2V 大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏,管子导通基极电流:：
mA 3.97.010110mA 8.726.030mA 26.05
3
.057.02CES
CS B C B =--=
=?====-=
U I I I I 临界饱和电流：β
因为I C
4.4 绝缘栅型场效应晶体管
本节学时 1.5学时
本节重点 绝缘栅型场效应晶体管的伏安特性。
教学方法 结合理论与实验，讲解绝缘栅型场效应晶体管的伏安特性。 教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。 教学内容
场效应管是一种电压控制型的半导体器件，它具有输入电阻高（可达109Ω—1015Ω），而噪声低，受温度、辐射等外界条件的影响较小，耗电省、便于集成等优点。，因此得到广泛应用。
场效应管按结构的不同可分为结型和绝缘栅型；从工作性能可分耗尽型和增
强型；所用基片（衬底）材料不同，又可分P 沟道和N 沟道两种导电沟道。 4.4.1 绝缘栅型场效应管
目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是一种金属(M)－氧化物(O)－半导体(S)结构的场效应管，简称为MOS （Metal Oxide Semiconductor ）管。 1.N 沟道增强MOS 型管
(1) 基本结构符号
用一块Ｐ型半导体为衬底，在衬底上面的左、右两边制成两个高掺杂浓度的Ｎ型区，用N +表示，在这两个N +区各引出一个电极，分别称为源极S 和漏极D ，管子的衬底也引出一个电极称为衬底引线b 。管子在工作时b 通常与S 相连接。在这两个N + 区之间的Ｐ型半导体表面做出一层很薄的二氧化硅绝缘层，再在绝缘层上面喷一层金属铝电极，称为栅极G 。
Sio 2
（a ） （b ） （c ） 增强型MOS 管的结构和符号
(2) 输出特性
输出特性是指U GS 为一固定值时，I D 与U DS 之间的关系，即
常数==GS )(DS D U U f I
同三极管一样输出特性可分为三个区，可变电阻区，恒流区和截止区。 可变电阻区：Ⅰ区。该区对应U GS ＞U T ，U DS 很小，U GD =U GS －U DS ＞U T 的情况。该区的特点是：若U GS 不变，I D 随着U DS 的增大而线性增加，可以看成是一个电阻，对应不同的U GS 值，各条特性曲线直线部分的斜率不同，即阻值发生改变。因此该区是一个受U GS 控制的可变电阻区，工作在这个区的场效应管相当于一个压控电阻。
恒流区（亦称饱和区，放大区）： Ⅱ区。该区对应U GS ＞U T ，U DS 较大，该区的特点是：若U GS 固定为某个值时，随U DS 的增大，I D 不变，特性曲线近似为水平线，因此称为恒流区。而对应同一个U DS 值，不同的U GS 值可感应出不同宽度的导电沟道，产生不同大小的漏极电流I D ，可以用一个参数，跨导g m 来表示U GS 对I D 的控制作用。g m 定义为：
常数
=??=
DS GS
D U m U I g
截止区（夹断区）：该区对应于U GS ≤U T 的情况，这个区的特点是：由于没有感生出沟道，故电流I D =0 ，管子处于截止状态。
Ⅲ区为击穿区，当U DS 增大到某一值时，栅、漏间的PN 结会反向击穿，使I D
急剧增加。如不加限制，会造成管子损坏。
（a ）输出特性 (b)转移特性
N 沟道增强型MO S 管的特性曲线
(4) 转移特性
转移特性是指U DS 为固定值时，I D 与U GS 之间的关系，表示了U GS 对I D 的控制作用。即：常数==DS )(GS D U U f I
I D 可以近似地表示为：2
th GS GS DSS
D 1）（）
（U U I I -=
其中I DSS 是U GS =2U GS （th ）时的值I D 。 2.Ｎ沟道耗尽型MOS 管
N 沟道耗尽型绝缘栅场效应管
Ｎ沟道耗尽型MOS 管的结构与增强型一样，所不同的是在制造过程中，在 sio 2绝缘层中掺入大量的正离子。当U GS =0时，由正离子产生的电场就能吸收足 够的电子产生原始沟道，如果加上 正向U DS 电压，就可在原始沟道的中产生电流。
其结构、符号如图所示。
当U GS 正向增加时，将增强由绝缘层中正离子产生的电场，感生的沟道加宽，I D 将增大，当V GS 加反向电压时，削弱由绝缘层中正离子产生的电场，感生的沟道变窄，I D 将减小，当U GS 达到某一负电压值U GS(off) = U P 时，完全抵消了由正离子产生的电场则导电沟道消失， I D ≈0，U P 称为夹断电压。
在U GS ＞U P 后，漏源电压U DS 对I D 的影响较小。它的特性曲线形状，与增强型MOS 管类似。
4.4.2 场效应管主要参数
1．场效应管与双极型晶体管的比较
(1) 场效应管的沟道中只有一种极性的载流子（电子或空穴）参于导电，故
称为单极型晶体管。而在双极型晶体三极管里有两种不同极性的载流子（电子和空穴）参于导电。
(2) 场效应管是通过栅源电压U GS 来控制漏极电流I D ，称为电压控制器件。晶体管是利用基极电流I B 来控制集电极电流I C ，称为电流控制器件。
(3) 场效应管的输入电阻很大，有较高的热稳定性，抗辐射性和较低的噪声。而晶体管的输入电阻较小，温度稳定性差，抗辐射及噪声能力也较低。
(4) 场效应管的跨导g m 的值较小，而双极型晶体管β的值很大。在同样的条件下，场效应管的放大能力不如晶体管高。
(5) 场效应管在制造时，如衬底没有和源极接在一起时，也可将D 、S 互换使用。而晶体管的C 和E 互换使用，称倒置工作状态，此时β将变得在非常小。
(6) 工作在可变电阻区的场效应管，可作为压控电阻来使用。 2．场效应管的主要参数 (1) 直流参数
直流参数是指耗尽型MOS 管的夹断点电位U P (U GS(off))，增强型MOS 管的开启电压U T (U GS(on))以及漏极饱和电流I DSS ，直流输入电阻R GS 。 (2) 交流参数 低频跨导g m ：g m 的定义是当UDS=常数时，u gs 的微小变量与它引起的i D 的微小变量之比，即： 常数
==
DS GS
D
U m du di g
它是表征栅、源电压对漏极电流控制作用大小的一个参数，反映了场效应管的放大能力，单位为西门子s 或ms 。一般场效应管的跨导为零点几到几十毫西门子。
极间电容：场效应管三个电极间存在极间电容。栅、源电容C gs 和栅、漏电容C g d 一般为1~3pF ，漏源电容C ds 约在0.1~1pF 之间。极间电容的存在决定了管子的最高工作频率和工作速度。
(3) 极限参数
最大漏极电流I DM ：管子工作时允许的最大漏极电流。
最大耗散功率P DM ：由管子工作时允许的最高温升所决定的参数。 漏、源击穿电压U （BR ）DS ：UDS 增大时使I D 急剧上升时的U DS 值。 栅、源击穿电压U （BR ）GS ：在MOS 管中使绝缘层击穿的电压。 3．使用场效应管的注意事项
（1）由于MOS 场效应管的输入电阻很高，使得栅极间感应电荷不易泄放，而
且绝缘层做得很薄，容易在栅源极间感应产生很高的电压，超过U（BR）GS而造成管子击穿。因此MOS管在使用时避免使栅极悬空。保存不用时，必须将MOS管各极间短接。焊接时，电烙铁外壳要可靠接地。
（2）有些场效应管的漏极和源极不可以互换，因为衬底已经和源极连在一起这从管子的引脚数目可以区分。
习题：p110
4-2、4-3、4-6、4-9、4-10、4-12、4-13
半导体器件物理_复习重点
第一章 PN结 1.1 PN结是怎么形成的？ 耗尽区：正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷，所以该区也称为耗尽区。 空间电荷边缘存在多子浓度梯度，多数载流子便受到了一个扩散力。在热平衡状态下，电场力与扩散力相互平衡。 p型半导体和n型半导体接触面形成pn结，p区中有大量空穴流向n区并留下负离子，n区中有大量电子流向p区并留下正离子（这部分叫做载流子的扩散），正负离子形成的电场叫做空间电荷区，正离子阻碍电子流走，负离子阻碍空穴流走（这部分叫做载流子的漂移），载流子的扩散与漂移达到动态平衡，所以pn 结不加电压下呈电中性。 1.2 PN结的能带图（平衡和偏压） 无外加偏压，处于热平衡状态下，费米能级处处相等且恒定不变。 1.3 内建电势差计算 N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒，这个势垒称为内建电势差。
1.4 空间电荷区的宽度计算 n d p a x N x N = 1.5 PN 结电容的计算 第二章 PN 结二极管 2.1理想PN 结电流模型是什么？ 势垒维持了热平衡。 反偏：n 区相对于p 区电势为正，所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级，势垒变得更高，阻止了电子与空穴的流动，因此pn 结上基本没有电流流动。 正偏：p 区相对于n 区电势为正，所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级，势垒变得更低，电场变低了，所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区，所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p
区到n 区的空穴。电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。 过剩少子电子：正偏电压降低了势垒，这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内，注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。 2.2 少数载流子分布（边界条件和近似分布） 2.3 理想PN 结电流 ?? ????-??? ??=1exp kT eV J J a s ?? ? ? ? ?+=+= 0020 11p p d n n a i n p n p n p s D N D N en L n eD L p eD J ττ 2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？ 扩散电阻：在二极管外加直流正偏电压，再在直流上加一个小的低频正弦电压，则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流，正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻，即扩散电阻。 扩散电容：在直流电压上加一个很小的交流电压，随着外加正偏电压的改变，穿过空间电荷区注入到n 区内的空穴数量也发生了变化。P 区内的少子电子浓度也经历了同样的过程，n 区内的空穴与p 区内的电子充放电过程产生了电容，即扩散电容。
半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象
第四章半导体中载流子的输运现象 在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体內形成电流。此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流一电压特性。因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。 4.1漂移电流密度 如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加 作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。载流子电荷的净 如果电荷密度为P的正方体以速度4运动，则它形成的电流 密度为 ^drf = P U d（°」）
其中°的单伎为C?cm~3, J drf的单位是Acm~2或C/cnr?s。 若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度p = ep , e为电荷电量^=1.6X10-,9C（^仑），〃为载流子空穴浓度，单位为⑵尸。则空穴的漂移电流密度打场可以写成：丿"爾=⑷）％（4.2） %表示空穴的漂移速度。空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？ 在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为 F = m a = eE（4.3） p ￡代表电荷电量，d代表在电场力F作用下空穴的加速度，加;代表空穴的有效质量。如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。在电场的作用下，晶体中的空穴获得加速度，速度增加。当载流子同晶体中的原子相碰撞后，载流子会损失大部分或全部能量，使粒子的速度减慢。然后粒子又会获得能量并重新被加速，直到下一次受到碰撞或散射，这一过程不断重复。因此，在整个过程粒子将会有一个平均漂移速度。在弱电场的情况下，平均漂移速度与电场強度成正比（言外之意，在强电场的情况下，平均漂移速度与电场强度不会成正比）。 S—E（4.4） 其中竹咼空穴迁移率，载流子迁移率是一个重要的参数，它描述了粒子在电场作用下的运动情况，迁移率的单位为cnr/V.s.将 式(4.4)带入(4.2),可得出空穴漂移电流密度的表达式：
第1章 常用半导体器件
第一章 常用半导体器件 自 测 题 一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 （1）在N 型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P 型半导体。（ ） （2）因为N 型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） （3）PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ） （4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。 （ ） （5）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R G S 大的特点。（ ） （6）若耗尽型N 沟道MOS 管的U G S 大于零，则其输入电阻会明显变小。（ ） 解：（1）√ （2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）× 二、选择正确答案填入空内。 （1）PN 结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 （2）设二极管的端电压为U ，则二极管的电流方程是 。 A. I S e U B. T U U I e S C. )1e (S －T U U I （3）稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 （4）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏 （5）U G S ＝0V 时，能够工作在恒流区的场效应管有 。 A. 结型管 B. 增强型MOS 管 C. 耗尽型MOS 管 解：（1）A （2）C （3）C （4）B （5）A C
三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D＝0.7V。 图T1.3 解：U O1≈1.3V，U O2＝0，U O3≈－1.3V，U O4≈2V，U O5≈1.3V， U O6≈－2V。 四、已知稳压管的稳压值U Z＝6V，稳定电流的最小值I Z mi n＝5mA。求图T1.4所示电路中U O1和U O2各为多少伏。 图T1.4 解：U O1＝6V，U O2＝5V。
半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象
第四章 半导体中载流子的输运现象 在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体内形成电流。此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流－电压特性。因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。 4.1漂移电流密度 如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加电场的作用下，电子和空穴将产生净加速度和净移位。电场力的作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。载流子电荷的净漂移会产生“漂移电流”。 如果电荷密度为ρ的正方体以速度d υ运动，则它形成的电流 密度为 ()4.1d r f d J ρυ =
其中ρ的单位为3 C cm - ，drf J 的单位是2 Acm -或2 /C cm s 。 若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度ep ρ=，e 为电荷电 量19 1.610 (e C -=?库仑） ，p 为载流子空穴浓度，单位为3 cm -。则空穴 的漂移电流密度/p drf J 可以写成： ()()/ 4.2p drf dp J ep υ= dp υ表示空穴的漂移速度。空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？ 在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为 ()* 4.3p F m a eE == e 代表电荷电量，a 代表在电场力F 作用下空穴的加速度，* p m 代 表空穴的有效质量。如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。在电场的作用下，晶体中的空穴获得加速度，速度增加。当载流子同晶体中的原子相碰撞后，载流子会损失大部分或全部能量，使粒子的速度减慢。然后粒子又会获得能量并重新被加速，直到下一次受到碰撞或散射，这一过程不断重复。因此，在整个过程粒子将会有一个平均漂移速度。在弱电场的情况下，平均漂移速度与电场强度成正比（言外之意，在强电场的情况下，平均漂移速度与电场强度不会成正比）。 ()4.4dp p E υμ= 其中p μ是空穴迁移率，载流子迁移率是一个重要的参数，它描述了粒子在电场作用下的运动情况，迁移率的单位为2 /cm V s 。将
1章 常用半导体器件 习题
第一章题解－1 第一章 常用半导体器件 习 题 1.1 选择合适答案填入空内。 （1）在本征半导体中加入 元素可形成N 型半导体，加入 元素可形成P 型半导体。 A. 五价 B. 四价 C. 三价 （2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将 。 A. 增大 B. 不变 C. 减小 （3）工作在放大区的某三极管，如果当I B 从12μA 增大到22μA 时，I C 从1m A 变为2m A ，那么它的β约为 。 A. 83 B. 91 C. 100 （4）当场效应管的漏极直流电流I D 从2m A 变为4m A 时，它的低频跨导g m 将 。 A.增大 B.不变 C.减小 解：（1）A ，C （2）A （3）C （4）A 1.2 能否将1.5V 的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？ 解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V 时，管子会因电流过大而烧坏。 1.3 电路如图P1.3所示，已知u i ＝10s in ωt (v)，试画出u i 与u O 的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。 图P1.3
第一章题解－2 解图P1.3 解：u i 和u o 的波形如解图P1.3所示。 1.4 电路如图P1.4所示，已知u i ＝5s in ωt (V)，二极管导通电压U D ＝0.7V 。试画出u i 与u O 的波形，并标出幅值。 图P1.4 解图P1.4 解：波形如解图P1.4所示。 1.5 电路如图P1.5（a ）所示，其输入电压u I1和u I2的波形如图（b ）所示，二极管导通电压U D ＝0.7V 。试画出输出电压u O 的波形，并标出幅值。 图P1.5 解：u O 的波形如解图P1.5所示。
半导体器件物理第四章习题
第四章 金属-半导体结 4-1． 一硅肖脱基势垒二极管有0.01 cm 2的接触面积，半导体中施主浓度为1016 cm 3?。 设V 7.00=ψ，V V R 3.10=。计算 （a ）耗尽层厚度， （b ）势垒电容，（c ）在表面处的电场 4-2． （a ）从示于图4-3的GaAs 肖脱基二极管电容-电压曲线求出它的施主浓度、自建电 势势垒高度。 (b) 从图4-7计算势垒高度并与（a ）的结果作比较。 4-3． 画出金属在P 型半导体上的肖脱基势垒的能带结构图，忽略表面态，指出（a ）s m φφ> 和（b ）s m φφ<两种情形是整流节还是非整流结，并确定自建电势和势垒高度。 4-4． 自由硅表面的施主浓度为15310cm ?，均匀分布的表面态密度为122110ss D cm eV ??=， 电中性级为0.3V E eV +，向该表面的表面势应为若干？提示：首先求出费米能级与电中性能级之间的能量差，存在于这些表面态中的电荷必定与表面势所承受的耗尽层电荷相等。 4-5． 已知肖脱基二极管的下列参数：V m 0.5=φ，eV s 05.4=χ，31910?=cm N c ， 31510?=cm N d ，以及k=11.8。假设界面态密度是可以忽略的，在300K 计算： （a ）零偏压时势垒高度，自建电势，以及耗尽层宽度。 (b)在0.3v 的正偏压时的热离子发射电流密度。 4-6．在一金属-硅的接触中，势垒高度为eV q b 8.0=φ,有效理查逊常数为222/10*K cm A R ?=，eV E g 1.1=，31610?=cm N d ，以及31910?==cm N N v c 。 （a ）计算在300K 零偏压时半导体的体电势n V 和自建电势。 （b ）假设s cm D p /152=和um L p 10=，计算多数载流子电流对少数载流子电流的注 入比。 4-7． 计算室温时金-nGaAs 肖脱基势垒的多数载流子电流对少数载流子电流的比例。已知施主浓度为10153?cm ，um L p 1=，610p s τ?=，以及R R 068.0*=。 4-8． 在一金属-绝缘体势垒中，外电场ε=104V/cm ，介电常数为（a ）4,()12,k b k ==计 算φΔ和m x ，将所得的结果与4－3节中的例题进行比较。 4-9． 在一金属一绝缘体势垒中，外加电场cm V E ext /104 =，介电常数为（a ）k=4及(b) k=12，
01常用半导体器件练习题
第1章常用半导体器件 一．选择题 1、半导体导电的载流子是____C____，金属导电的载流子是_____A__。 A．电子B．空穴C．电子和空穴Ｄ．原子核 2、在纯净半导体中掺入微量3价元素形成的是___A_____型半导体。 A. P B. N C. PN D. 电子导电 3、纯净半导体中掺入微量5价元素形成的是____B____型半导体。 A. P B. N C. PN D. 空穴导电 4、N型半导体多数载流子是B，少数载流子是 A ；P型半导体中多数载流子是 A ，少数载流子是 B 。 A．空穴B．电子Ｃ．原子核Ｄ．中子 5、杂质半导体中多数载流子浓度取决于 D ，少数载流子浓度取于 B 。 A．反向电压的大小B．环境温度C．制作时间D．掺入杂质的浓度 6、PN结正向导通时，需外加一定的电压U，此时，电压U的正端应接PN结的 A ， 负端应接PN结 B 。 A．P区B．N区 7、二极管的反向饱和电流主要与 B 有关。(当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不 随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。) A．反向电压的大小B．环境温度C．制作时间D．掺入杂质的浓度 8、二极管的伏安特性曲线反映的是二极管 A 的关系曲线。 A．V D-I D B．V D-r D C．I D-r D D．f-I D 9、用万用表测量二极管的极性，将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻很 小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管的 C 。 A．正极B．负极C．无法确定 10、下列器件中， B 不属于特殊二极管。 A．稳压管B．整流管C．发光管D．光电管 11、稳压二极管稳压，利用的是稳压二极管的 C 。 A．正向特性B．反向特性C．反向击穿特性 12、稳压管的稳定电压V Z是指其 D 。
69第6章3_半导体器件物理EM3模型
半导体器件物理(1)
半导体器件物理(I ) 在E-M2模型基础上进一步考虑晶体管的二阶效应，包括基区宽度调制、小电流下复合电流的影响、大注入效应等，就成为E-M3模型. 第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型 四、E-M3模型
半导体器件物理(I ) 1.基区宽度调制效应(Early 效应) 按照器件物理描述的方法，正向放大应用情况下，采用正向Early 电压V A （记为VA ）描述c’-b’势垒区两端电压Vc’b’对有效基区宽度X b 的影响，进而导致I S 、βF 等器件特性参数的变化。 同样引入反向Early 电压（记为VB ）描述反向放大状态下Ve’b’的作用。 第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型 四、E-M3模型
半导体器件物理(I ) 考虑基区宽变效应引入两个模型参数： 正向Early 电压VA 反向Early 电压VB 这两个模型参数的默认值均为无穷大。 若采用其内定值，实际上就是不考虑基区宽度调制效应。 考虑基区宽变效应等效电路并不发生变化。 第6章BJT模型和BJT版图1.基区宽度调制效应(Early 效应) 6-1 E-M 模型 四、E-M3模型
半导体器件物理(I ) 小电流下正偏势垒区存在的复合和基区表面复合效应使基极电流增大。引入下述基区复合电流项描述正向放大情况下be 结势垒区的影响： I 2＝I SE [exp(qV b’e’/Ne kT)-1] 反向放大情况下引入下述基区复合电流描述bc 结势垒区的影响： I 4＝I SC [exp(qV b’c’/Nc kT)-1] 相当于等效电路中I B 增加两个电流分量。 2.小电流下势垒复合效应的表征 第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型 四、E-M3模型
模拟电子技术基础第1章 常用半导体器件题解(童诗白)
第一章 常用半导体器件（童诗白） 自 测 题 一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 （1）在N 型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P 型半导体。（ ） （2）因为N 型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） （3）PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ） （4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。 （ ） （5）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R G S 大的特点。（ ） （6）若耗尽型N 沟道MOS 管的U G S 大于零，则其输入电阻会明显变小。（ ） 解：（1）√ （2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）× 二、选择正确答案填入空内。 （1）PN 结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 （2）设二极管的端电压为U ，则二极管的电流方程是 。 A. I S e U B. T U U I e S C. )1e (S －T U U I （3）稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 （4）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏 （5）U G S ＝0V 时，能够工作在恒流区的场效应管有 。 A. 结型管 B. 增强型MOS 管 C. 耗尽型MOS 管 解：（1）A （2）C （3）C （4）B （5）A C
三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D＝0.7V。 图T1.3 解：U O1≈1.3V，U O2＝0，U O3≈－1.3V，U O4≈2V，U O5≈1.3V， U O6≈－2V。 四、已知稳压管的稳压值U Z＝6V，稳定电流的最小值I Z mi n＝5mA。求图T1.4所示电路中U O1和U O2各为多少伏。 图T1.4 解：U O1＝6V，U O2＝5V。
电子电路基础习题册参考答案第一章
电子电路基础习题册参考答案（第三版）全国中等职业技术 第一章常用半导体器件 §1-1 晶体二极管 一、填空题 1、物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类，最常用的半导体材料是硅和锗。 2、根据在纯净的半导体中掺入的杂质元素不同，可形成N 型半导体和P 型半导体。 3、纯净半导体又称本征半导体，其内部空穴和自由电子数相等。N型半导体又称电子型半导体，其内部少数载流子是空穴；P型半导体又称空穴型半导体，其内部少数载流子是电子。 4、晶体二极管具有单向导电性，即加正向电压时，二极管导通，加反向电压时，二极管截止。一般硅二极管的开启电压约为0.5 V，锗二极管的开启电压约为0.1 V；二极管导通后，一般硅二极管的正向压降约为0.7 V,锗二极管的正向压降约为0.3 V。 5.锗二极管开启电压小，通常用于检波电路，硅二极管反向电流小，在整流电路 及电工设备中常使用硅二极管。 6.稳压二极管工作于反向击穿区，稳压二极管的动态电阻越小，其稳压性能好。
7在稳压电路中，必须串接限流电阻，防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。 8二极管按制造工艺不同，分为点接触型、面接触型和平面型。 9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、 开关、热敏、发光和光电二极管等二极管。 10、二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱和电流和最高工作频率。 11、稳压二极管的主要参数有稳定电压、稳定电流和动态电阻。 12、图1-1-1所示电路中，二极管V1、V2均为硅管，当开关S与M 相接时，A点的电位为 无法确定V,当开关S与N相接时，A点的电位为0 V. 13图1-1-2所示电路中，二极管均为理想二极管，当开关S打开时，A点的电位为10V 、 流过电阻的电流是4mA ；当开关S闭合时，A点的电位为0 V，流过电阻的电流为2mA 。 14、图1-1-3所示电路中，二极管是理想器件，则流过二极管V1的电流为0.25mA ，流过V2的电流为0.25mA ,输出电压U0为+5V。
半导体器件物理(第六章)_93140777
半导体器件 物理进展 第六章其它特殊半导体器件简介Introduction to other Special Semiconductor Devices
本章内容提要： LDMOS、VDMOS等高压功率器件 IGBT功率器件简介 SOI器件与集成电路 电荷耦合器件的原理与应用
1. LDMOS、VDMOS功率器件 （1）MOSFET作为功率器件的优势： MOSFET为多子（多数载流子）器件，电流温度系数为负值（由迁移率随温度的变化引起），不会发生双极型功率器件的二次击穿现象（由Iceo，β随温度的升高而引起）； 没有少子（少数载流子）的存贮效应，开关响应速度较快； 栅极输入阻抗较高，所需的控制功率较小； 具有一定的功率输出能力，可与控制电路集成在一起，形成Smart Power IC，例如LCD显示器的高压驱动电路（Driver）。
（2）MOSFET的击穿特性： （A）导通前的击穿： 源漏穿通： 早期的解释：随着源漏电压增大，→源漏耗尽区不断展宽，直至相碰到一起，→导致发生源漏穿通效应（这里仍然采用的是平面PN结耗尽区的概念，尽管可能不是十分准确）； 目前的理解：由于DIBL效应引起的源漏穿通，与器件的沟道长度及沟道掺杂分布有关，其特点是（与PN结的击穿特性相比）击穿特性的发生不是非常急剧，换句话说，器件的击穿特性不是十分陡直的硬击穿，而是比较平缓的软击穿特性。
漏端PN结击穿： 比单纯的非MOSFET漏区的PN结击穿电压要低（原因：受场区离子注入、沟道区调开启离子注入等因素的影响），由于侧向双极型晶体管的放大作用，使得BV PN 有所下降（类似BV CEO 小于BV CBO ），不同点在于MOS器件的衬底（相当于BJT器件的基区）不是悬空的，而是接地（只是接地电阻可能偏大），这种击穿特性的特点是雪崩电流的发生比较急剧，发生雪崩效应之前的反向电流也很小。 （B ）导通后的击穿：主要是由于侧向双极型晶体管效应所导致，特别是由于器件衬底电流的影响，将使源衬PN 结出现正偏现象，致使侧向双极型晶体管效应更为严重。
第1章 半导体器件习题
第1章 半导体器件 一、是非题 (注:请在每小题后[ ]内用"√"表示对,用"×"表示错) 1、P 型半导体可通过在本半导体中掺入五价磷元素而获得。（ ） 2、N 型半导体可以通过在本征半导体中掺入三价元素而得到。（ ） 3、在N 型半导体中，掺入高浓度的三价杂质可以发型为P 型半导体。（ ） 4、P 型半导体带正电，N 型半导体带负电。（ ） 5、N 型半导体的多数载流子是电子，所以它带负电。（ ） 6、半导体中的价电子易于脱离原子核的束缚而在晶格中运动。（ ） 7、半导体中的空穴的移动是借助于邻近价电子与空穴复合而移动的。（ ） 8、施主杂质成为离子后是正离子。（ ） 9、受主杂质成为离子后是负离子。（ ） 10、PN 结中的扩散电流是载流子在电场作用下形成的。（ ） 11、漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。（ ） 12、由于PN 结交界面两边存在电位差，所以，当把PN 结两端短路时就有电流流过。（ ） 13、PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ） 14、二极管的伏安特性方程式除了可以描述正向特性和反向特性外，还可以描述二极管的反向击穿特性。（ ） 15、通常的BJT 管在集电极和发射极互换使用时，仍有较大的电流放大作用。（ ） 16、有人测得某晶体管的U BE =0.7V ，I B =20μA ，因此推算出r be =U BE /I B =0.7V/20μA=35kΩ。（ ） 17、有人测得晶体管在U BE =0.6V ，I B =5μA ，因此认为在此工作点上的r be 大约为26mV/I B =5.2kΩ。（ ） 18、有人测得当U BE =0.6V ，I B =10μA 。考虑到当U BE =0V 时I B =0因此推算得到 0.60 60()100 BE be B U r k I ?-= ==Ω?- （ ） 二、选择题 (注:在每小题的备选答案中选择适合的答案编号填入该题空白处,多选或不选按选错论) . 1、在绝对零度（0K ）时，本征半导体中_________ 载流子。 A. 有 B. 没有 C. 少数 D. 多数 2 A. 负离子 B. 空穴 C. 正离子 D. 电子-空穴对 3、半导体中的载流子为_________。 A.电子 B.空穴 C.正离子 D.电子和空穴 4、N 型半导体中的多子是_________。A.电子 B.空穴 C.正离子 D.负离子
半导体器件物理施敏课后答案
半导体器件物理施敏课后答案 【篇一：半导体物理物理教案(03级)】 >学院、部：材料和能源学院 系、所；微电子工程系 授课教师：魏爱香，张海燕 课程名称；半导体物理 课程学时：64 实验学时：8 教材名称：半导体物理学 2005年9-12 月 授课类型：理论课授课时间：2节 授课题目（教学章节或主题）： 第一章半导体的电子状态 1.1半导体中的晶格结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 本授课单元教学目标或要求： 了解半导体材料的三种典型的晶格结构和结合性质；理解半导体中的电子态, 定性分析说明能带形成的物理原因，掌握导体、半导体、绝缘体的能带结构的特点 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：
1．半导体的晶格结构：金刚石型结构；闪锌矿型结构；纤锌矿型 结构 2．原子的能级和晶体的能带 3．半导体中电子的状态和能带（重点，难点） 4．导体、半导体和绝缘体的能带（重点） 研究晶体中电子状态的理论称为能带论，在前一学期的《固体物理》课程中已经比较完整地介绍了，本节把重要的内容和思想做简要的 回顾。 本授课单元教学手段和方法： 采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 作业题：44页1题 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出） 1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005? 2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导和典型题解》?电子工 业 出版社2005 3. 施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理和工艺》，苏州大学出 版社，2002 4. 方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社 5．曾谨言，《量子力学》科学出版社 注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3. “重点”、“难点”、“教学手段和方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。
电子电路基础习题册参考答案第一章
电子电路基础习题册参考答案(第三版)全国中等职业技术 第一章常用半导体器件 §1-1 晶体二极管 一、填空题 1、物质按导电能力得强弱可分为导体、绝缘体与半导体三大类,最常用得半导体材料就是硅与锗。 2、根据在纯净得半导体中掺入得杂质元素不同,可形成N 型半导体与P 型半导体。 3、纯净半导体又称本征半导体,其内部空穴与自由电子数相等。N型半导体又称电子型半导体,其内部少数载流子就是空穴;P型半导体又称空穴型半导体,其内部少数载流子就是电子。 4、晶体二极管具有单向导电性,即加正向电压时,二极管导通,加反向电压时,二极管截止。一般硅二极管得开启电压约为0、5 V,锗二极管得开启电压约为0、1 V;二极管导通后,一般硅二极管得正向压降约为0、7 V,锗二极管得正向压降约为 0、3 V。 5、锗二极管开启电压小,通常用于检波电路,硅二极管反向电流小,在整流电路 及电工设备中常使用硅二极管。 6、稳压二极管工作于反向击穿区,稳压二极管得动态电阻越小,其稳压性能好。
7在稳压电路中,必须串接限流电阻,防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。 8二极管按制造工艺不同,分为点接触型、面接触型与平面型。 9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、 开关、热敏、发光与光电二极管等二极管。 10、二极管得主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱与电流与最高工作频率。 11、稳压二极管得主要参数有稳定电压、稳定电流与动态电阻。 12、图1-1-1所示电路中,二极管V1、V2均为硅管,当开关S与M相接时,A点得电位为 无法确定V,当开关S与N相接时,A点得电位为0 V、 13图1-1-2所示电路中,二极管均为理想二极管,当开关S打开时,A点得电位为10V 、 流过电阻得电流就是4mA ;当开关S闭合时,A点得电位为0 V,流过电阻得电流为2mA 。 14、图1-1-3所示电路中,二极管就是理想器件,则流过二极管V1得电流为0、25mA ,流过V2得电流为0、25mA ,输出电压U0为+5V。
半导体器件物理复习纲要6页word
第一章 半导体物理基础 能带： 1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？ 1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。 1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。 1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为： 22 22100()()3C k k k E k m m -=h h ＋和2222100 3()6v k k E k m m =h h － ；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=??h ，3109.110m Kg -=?，191.610q C -=?。 试求： ①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。 题解： 1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电 电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。 1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温度升 高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。 1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。 空穴的意义： 引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流 的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。 1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m h ＋210 2()k k m -h ＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝14 3k ，
半导体器件习题及参考答案
第二章 1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为μm，求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。 解：)0(,22≤≤-=x x qax dx d p S εψ )0(,2 2n S D x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22 ≤≤--=- =E x x x x qa dx d x p p S εψ n n S D x x x x qN dx d x ≤≤-=- =E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝μm x 总=x n +x p =μm ?? =--=-n p x x bi V dx x E dx x E V 0 516.0)()( m V x qa E p S /1082.4)(25 2max ?-=-= ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。 2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp＝τn＝10－6s ，器件的面积为×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±时的正向和反向电流。 解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/s cm D L p p p 3103-?==τ，cm D L n n n 31045.2-?==τ n p n p n p S L n qD L p qD J 0 += I S =A*J S =*10-16A 。 ＋时，I ＝μA ， －时，I ＝*10-16A 3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性区内
《半导体器件物理》教学大纲(精)
《半导体器件物理》教学大纲 （2006版） 课程编码：07151022学时数：56 一、课程性质、目的和要求 半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。 二、教学内容、要点和课时安排 第一章半导体物理基础（复习）（2学时） 第二节载流子的统计分布 一、能带中的电子和空穴浓度 二、本征半导体 三、只有一种杂质的半导体 四、杂质补偿半导体 第三节简并半导体 一、载流子浓度 二、发生简并化的条件 第四节载流子的散射 一、格波与声子 二、载流子散射 三、平均自由时间与弛豫时间 四、散射机构
第五节载流子的输运 一、漂移运动迁移率电导率 二、扩散运动和扩散电流 三、流密度和电流密度 四、非均匀半导体中的自建场 第六节非平衡载流子 一、非平衡载流子的产生与复合 二、准费米能级和修正欧姆定律 三、复合机制 四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程 第二章PN结（12学时） 第一节热平衡PN结 一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结 突变结、缓变结、线性缓变结 二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1） 三、空间电荷区、内建电场与电势 四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程 五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势 及PN结空间电荷区两侧的内建电势差 六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差 和空间电荷区宽度（利用耗尽近似） P 结 第二节加偏压的N
半导体器件第六章
▲理想MOS 二极管的工作原理。（说明栅极电压分别为负，零及其正偏电压）。 答：当一理想MOS 二极管偏压为负时，半导体表面可能会出现三种情况，P 型半导体而言，当一负电压施加于金属平板上时，Si SiO -2界面将产生超量的空穴，接近半导体表面的能带向上弯曲，如图，对理想二极管而言，不论外加电压为多少，器件内部均无电流流动，所以半导体内部的费米能级将维持为一个常数，在半导体内部的载流子密度与能级差成指数关系，即____________________。 半导体表面向上弯曲的能带使得的能级差i F E E -变大，进而提升空穴的浓度，而在氧化层与半导体的界面处产生空穴堆积，称为积累现象。其相对应的电荷分布如图所示，当外加更大的正电压时，能带向下弯曲的更严重，使得表面的本征能级i E 越过费米能级F E ，如图，正栅极电压将在 Si SiO -2界面处吸引更多的负载流子（电子），半导体中电子的浓度与能 差i F E E -成指数关系，即_________________________________。 ▲MOS 二极管出现反型标志，强反型标志各是什么？出现强反型时，导电 沟道厚度特点。 答：①当外加一小量正电压于理想MOS 二极管时，靠近半导体表面的能带将向下弯曲，使i F E E =形成多数载流子（空穴）耗尽，称为耗尽现象。在半导体中，单位面积的空间电荷SC Q 的值为W qN A ，其中W 为表面耗 尽区的宽度。②图略 ③随着正偏电压的增大，Ef-Ei>0，在半导体表面上的电子浓度将 于i n ，而空穴浓度将小于i n ，即表面载流子呈现反型，称为反型现象。 ④起初，因电子浓度较小，表面处于弱反型的状态，当能带持续弯曲，使得导带的边缘接近费米能级，当靠近SiO2~Si 由界面的电子浓度等于衬底的掺杂量时，开始产生强反型，在此之后，大部分在半导体中额外的负电荷是由电子在很窄的n 型反型层（i x x ≤≤0）中产生的电荷Qn ，如图所示，组成，其中i x 为反型层的宽度，i x 典型值的范围从1nm~10nm ，且通常远远小于表面耗尽的区域。 ▲MOS 二极管半导体表面耗尽层厚度与半导体表面静电势之间的函数关系？在强反型时两者之间的函数关系呢？并弄够从泊松方程进行推导。 答：电势距离为函数，可由一维的泊松方程求得为______________________。 其中)(x s ρ为位于x 处的单位体积电荷密度，而s ε为介电常数。 下面采用耗尽近似法分析，p-n 结，当半导体耗尽区宽度达到W 时，半导体内的电荷为W qN A s -=ρ，积分泊松方程可得距离x 的函数的表面耗尽区的静电势分布：________。 表面电势______________。注意此电势分布与单边的n p -+ 结相同。当 B S ??>时表面即发生反型，然而，我们需要一个准则来表示强反型的起
模拟电子技术课程习题 第一章 常用半导体器件
第一章 常用半导体器件 1.1 在晶体管放大电路中，测得晶体管的各个电极的电位如图1.1所示，该晶体管的类型是[ ] A. NPN 型硅管B. PNP 型硅管 C. NPN 型锗管 图D. PNP 型锗管 1.3V b 1.2 某三极管各个电极的对地电位如图1-2所示，可判断其工作状态是[ ] A. 饱和 B. 放大 C. 截止 图1.2 D. 已损坏 1.3 在如图1.3所示电路中，当电源V=5V 时，测得I=1mA 。若把电源电压调整到V=10V ，则电流的大小将是 [ ] A.I=2mA B.I<2mA C.I>2mA D.不能确定 图1.3 1.4 在如图1-7所示电路中电源V=5V 不变。当温度为20O C 时测得二极管的电压 U D =0.7V 。当温度上生到为40O C 时,则U D 的大小将是 [ ] A.仍等于0.7V B.大于0.7V C. 小于0.7V D.不能确定 图1.4 1.5 在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 [ ] A.温度 B.掺杂工艺 C.杂质浓度 D.晶体缺陷 1.6 对于同一个晶体管而言，反向电流最小的是 [ ] A.I CBO B.I CES C.I CER D.I CEO 1.7二极管的主要特性是 [ ] A.放大特性 B.恒温特性 C.单向导电特性 D.恒流特性
1.8 温度升高时，晶体管的反向饱和电流I CBO 将[ ] A.增大 B.减少 C.不变 D.不能确定 1.9 下列选项中，不属三极管的参数是[ ] A.电流放大系数β B.最大整流电流I F C.集电极最大允许电流I CM D.集电极最大允许耗散功率P CM 1.10 温度升高时，三极管的β值将 A.增大 B.减少 C.不变 D.不能确定 1.11 在N型半导体中，多数载流子是[ ] A. 电子 B. 空穴 C.离子 D. 杂质 1.12 下面哪一种情况二极管的单向导电性好[ ] A.正向电阻小反向电阻大 B. 正向电阻大反向电阻小 C.正向电阻反向电阻都小 D. 正向电阻反向电阻都大 1.13 在如图1.13所示电路中，设二极管的正向压降可以忽略不计，反向饱和 电流为0.1 mA, 反向击穿电压为25V且击穿后基本不随电流而变化，这时电路中的电流I等于[ ] A. 0.1 mA B. 2.5mA C. 5mA D. 15 mA 图 1.13 1.14 在P型半导体中，多数载流子是[ ] A. 电子 B. 空穴 C.离子 D. 杂质 1.15 下列对场效应管的描述中，不正确的是[ ] A 场效应管具有输入电阻高，热稳定性好等优点； B 场效应管的两种主要类型是MOSFET和JFET； C 场效应管工作时多子、少子均参与导电； D 场效应管可以构成共源、共栅、共漏这几种基本类型的放大器。 1.16 在放大电路中，场效应管应工作在漏极特性的[ ] A.可变电阻区 B.截止区 C.饱和区 D.击穿区 1.17 表征场效应管放大作用的重要参数是[ ] A.电流放大系数β B.跨导g m =ΔI D /ΔU GS C.开启电压U T D.直流输入电阻R GS
半导体器件物理(第四章)_Part2_392509685
J.Hsu
微电子学研究所 微电子与纳电子学系
半导体器件 物理进展
第四章 CMOS的等比例缩小、优化 设计及性能因子 CMOS Scaling, Design Optimization, and Performance Factors
J.Hsu
微电子学研究所 微电子与纳电子学系
Part 2
MOS器件的等比例缩小与 优化设计 内容提要：
? MOSFET的等比例缩小 ? MOS器件阈值电压的设计考虑 ? MOS器件的优化设计 ? 量子化效应对MOS器件Vt 的影响
J.Hsu
微电子学研究所 微电子与纳电子学系
1. MOSFET 的等比例缩小
MOS晶体管由于其具有性能优越、结构简单等 优点，因此在其诞生之后立即成为大规模和超大规模 集成电路的主流器件，特别是在提出了等比例缩小原 则之后。
J.Hsu
微电子学研究所 微电子与纳电子学系
如上页图所示，等比例缩小（Scaling-down）原 则最早是在1974年由Dennard等人提出，其基本思想 就是将MOS器件的横向尺寸、纵向尺寸以及器件的 工作电压按照同一个比例因子k进行缩小，同时等比 例提高衬底的掺杂浓度（从而减小耗尽层宽度），这 样可以确保在不断缩小器件尺寸、提高集成电路性能 和元件密度的同时，既能够保持器件内部的最大电场 基本不变，又能够保持集成电路的功耗密度基本不 变，从而保证MOS器件工作的可靠性和集成电路长 期工作的热稳定性。 上述这种等比例缩小准则有时也称为恒定电场 （Constant-Electric field）的等比例缩小准则，简称 CE准则。下页表中给出了按照CE准则等比例缩小后 MOS器件参数与集成电路性能的变化情况。