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(共34张PPT)
项目1 认识常用电子元器件
任务1.1 认识半导体
任务1.2 认识二极管
任务1.3 认识三极管
项目导入
电子元器件是电子元件和小型机器、仪器的组成部分，其本身常由若干零件构成，可以在同类产品中通用。最常见的电子元器件有二极管、三极管等。
任务1.1 认识半导体
项目导入
1904年，爱迪生照明公司顾问约翰·安布罗斯·弗拉明发明了依靠热电子发射工作的二极管，开启了随后几十年间不同种类真空管技术的发展
任务1.1 认识半导体
项目导入
1906年，李·德福雷斯特发明了真空三极管，用来放大电话的声音电流。
任务1.1 认识半导体
项目导入
1947年，点接触型晶体管在贝尔实验室诞生了， 该器件能把音频信号放大100倍，外形比火柴棍短却要粗一些。这在电子元器件的发展史上翻开了新的一页。
任务1.1 认识半导体
项目导入
1950年，具有使用价值的锗合金型晶体管诞生。
任务1.1 认识半导体
项目导入
1954年，结型晶体管诞生了。
任务1.1 认识半导体
项目导入
到了20世纪60年代，半导体二极管成为主角。此后，各种性能优良的电子元器件相继出现，电子元器件逐步从真空管时代进入晶体管时代和大规模、超大规模集成电路时代。
任务1.1 认识半导体
项目导入
为了正确、有效地运用各种各样的电子元器件和半导体产品，相关工程技术人员需对半导体的独特性能、PN结的形成及其单向导电性有一定的认识和了解，对电子工程中常用的二极管、三极管的外部特性和主要技术参数也必须熟悉、快速掌握，从而在工程实际中能够正确使用二极管、三极管这些常见电子元器件，并在电子技术不断飞速发展的洪流中推动电子元器件的不断创新和发展。
了解本征半导体、P型和N型半导体的特征及PN结的形成过程；熟悉二极管的伏安特性、分类及用途；理解三极管的电流放大原理，掌握其输入和输出特性的分析方法；理解双极型和单极型三极管在控制原理上的区别；初步掌握工程技术人员必需具备的分析
电子电路的基本理论、基本知识
和基本技能。
学习目标
提出问题
什么叫半导体？半导体和导体、绝缘体有什么不同？本征半导体或杂质半导体能称之为半导体器件吗？PN结是如何形成的？半导体在当今世界有何用途？
任务1.1 认识半导体
绕原子核高速旋转的核外电子带负电。
自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。
原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。
正电荷
负电荷
=
原子结构中：
原子核
＋
原子核中有质子和中子，
其中质子带正电，中子不带
电。
1.1.1 导体、半导体和绝缘体
1. 导体
导体的最外层电子数通常是1~3个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。
原子核
＋
导体的特点：
内部含有大量的自由电子
2. 绝缘体
绝缘体的最外层电子数一般为6~8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。
常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。
常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。
原子核
＋
绝缘体的特点：
内部几乎没有自由电子，因此不导电。
3. 半导体
半导体的最外层电子数一般为4个，常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。
常用的半导体材料有硅、锗、硒等。
原子核
＋
半导体的特点：
导电性能介于导体和绝缘体之间，但具有光敏性、热敏性和参杂性的独特性能，因此在电子技术中得到广泛应用。
金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝
缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率
则在10-9~102s/cm量级。
半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导
体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：
光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；
热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；
掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电
能力极大地增强；
半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。
1.1.2 半导体的独特性能
1.1.3 本征半导体
最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价
价元素，即每个原子最外层电子数为4个。
+
+
Si(硅原子)
Ge(锗原子)
硅原子和锗原子的简化模型图
Si
+4
Ge
+4
因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号表示即可。
天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。
本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元
素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格
结构中，每一个原子均与相邻四个原子的价电子两两组成电
子对，构成共价键结构。
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
实际上半导体的晶格结构是三维的。
晶格结构
共价键结构
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。
在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。
受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。
热运动造成晶体中出现自由电子的现象称为本征激发。
本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。
由于共价键是定域的，使得这些带正电离子不能移动，成为晶体中固定不动的部分，即它们不能参与导电。
＋
＋
1. 本征激发和复合
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。
价电子填补空穴的现象称为复合。
此时整个晶体带电吗？为什么？
参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的
空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价
电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同
于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子
载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空
穴载流子运动。
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
半导体中这两种载流子，其
中自由电子载流子运动可以形
容为没有座位的人依次定向移
动；空穴载流子运动则可形容
为有座位的人依次向前挪动座
位的运动。
半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下
达到动态平衡。
2. 半导体的导电机理
在金属导体中存在大量的自由电子，这些自由电子是一种带电的微粒子，在外电场作用下定向移动形成电流。即金属导体内部只有自由电子一种载流子参与导电。
半导体由于本征激发而产生自由电子载流子，由复合运动产生空穴载流子，因此，半导体中同时参与导电的通常有两种载流子，且两种载流子总是电量相等、符号相反，电流的方向规定为空穴载流的方向即自由电子的反方向。
半导体中同时有两种载流子参与导电，是它与金属导体在导电机理上的本质区别，同时也是半导体导电方式的独特之处。
本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数
量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量
杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。
+
五价元素磷(P)
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
P
掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。
在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电
子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导
体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。
1.1.4 杂质半导体
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
三价元素硼(B)
B
+
掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴成为这种半导体的导电主流。
一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数
载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体
的导电能力可增强几十万倍。
掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自
由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。
在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电
子，而不能移动的离子带负电。
－
不论是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的
移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的
数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。
注意：
掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半
导体晶体仍然呈电中性。
一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。
P型半导体中的空穴多于自由电子，是否意味着它带正电？
自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？空穴载流子的形成是否是自由电子填补空穴的运动形成的？
何谓杂质半导体中的多子和少子 ？N型半导体中的多子是什么？少子是什么？
思考与问题
1.1.5 PN结及其形成过程
1. PN结的形成
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它
们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导
体器件的“元概念”和技术起始点。
在一块晶片的两端分别注入三价元素硼和五价元素磷
+
+
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－
P区
N区
空间电荷区
内电场
PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界面上N区失去的电子，同时， N区的少子空穴向P区漂移，补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定，即PN结形成。
PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。
2. PN结的单向导电性
PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单向导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。
由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而
且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加
电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。
PN结中反向电流的讨论
反向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断作用。
值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致
电子—空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增
长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设
计电路时，必须考虑温度补偿问题。
2. 受温度和光照影响，半导体的本征激发产生电子、空穴对；同时，复合运动又使得其它价电子不断地 “转移跳进” 空穴中。一定温度下，电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡。平衡状态下，半导体中的载流子浓度一定，即反向饱和电流的数值基本不发生变化。
1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。
4. PN结的单向导电性是指：PN结正向偏置时，呈现的电阻很小几乎为零，因此多子构成的扩散电流极易通过PN结；PN结反向偏置时，呈现的电阻趋近于无穷大，因此电流无法通过被阻断。
3. 空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。
学习与归纳
1.1.6 PN结的反向击穿问题
PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。
反向击穿发生在空间电荷区。击穿的原因主要有两种：
当PN结上加的反向电压大大超过反向击穿电压时，处在强
电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格，将价电子碰撞
出来，产生电子空穴对，新产生的载流子又会在电场中获得
足够能量，再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对，如此
连锁反应，使反向电流越来越大，这种击穿称为雪崩击穿。
1. 雪崩击穿
雪崩击穿属于碰撞式击穿，其电场较强，外加反向电压相
对较高。通常出现雪崩击穿的电压均在7V以上。
当PN结两边的掺杂浓度很高，阻挡层又很薄时，阻挡层内载流子与中性原子碰撞的机会大为减少，因而不会发生雪崩击穿。
2. 齐纳击穿
PN结非常薄时，即使阻挡层两端加的反向电压不大，也
会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN结内中
性原子的价电子从共价键中拉出来，产生出大量的电子—
空穴对，使PN结反向电流剧增，这种击穿现象称为齐纳击
穿。可见，齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中，相应的击穿电压较低，一般均小于5V。
雪崩击穿是一种碰撞的击穿，齐纳击穿是一种场效应击
穿，二者均属于电击穿。电击穿过程通常可逆：只要迅速
把PN结两端的反向电压降低，PN结即可恢复到原状态。
利用电击穿时PN结两端电压变化很小电流变化很大的特
点，人们制造出工作在反向击穿区的稳压管。
若PN结两端加的反向电压过高，反向电流将急剧增长，从而造成PN结上热量不断积累，引起其结温的持续升高，当这个温度超过PN结最大允许结温时，PN结就会发生热击穿，热击穿将使PN结永久损坏。
热击穿的过程是不可逆的，实用中应避免发生。
3. 热击穿
1.1.7 半导体的用途及发展前景
当今世界，用半导体材料制成的集成电路已为电子工业中的重要基础产品，在几平方毫米的硅片上就能制作几万只晶体管，可在一片硅片上制成一台微信息处理器，或完成其它较复杂的电路功能。集成电路的发展方向是实现更高的集成度和微功耗，并使信息处理速度达到微微秒级。另外，半导体微波器件包括接收、控制和发射器件等。毫米波段以下的接收器件已广泛使用。在厘米波段，发射器件的功率已达到数瓦，人们正在通过研制新器件、发展新技术来获得更大的输出功率。
半导体发光、摄像器件和激光器件的发展使光电子器件成为半导体应用的另一个重要领域，其应用范围主要有：光通信、数码显示、图象接收、光集成等。
目前，全球半导体行业仍旧保持高景气度。2022年全球半导体设备销售额基本达到1140亿美元。半导体的发展中，汽车成为重要增长极，尤其是新能源汽车销量持续旺盛，拉动模拟、功率及MCU需求，汽车MCU销售额预计将以7.7%的复合年增长率增长，市场规模有望达到215亿美元，再创历史新高。
2. 半导体的发展前景
能否说出PN结有何特性？半导体与金属导体的导电机理有何不同？
什么是本征激发？什么是复合？少数载流子和多数载流子是如何产生的 ？
试述雪崩击穿和齐纳击穿的特点。这两种击穿能否造成PN结的永久损坏 ？
思考与问题
空间电荷区的电阻率为什么很
高？
谢希德（1921年3月19日—2000年3月4日），福建泉州人，固体物理学家、教育家及社会活动家，中国科学院院士、复旦大学原校长 。
1946年谢希德从从厦门大学数理系毕业后进入上海户江大学任教；1947年赴美国史密斯学院留学；1949年获得硕士学位后她转入麻省理工学院专攻理论物理；1951年获得博士学位后，即谋划回国；1952年绕道英国回到中国并被分配到上海复旦大学物理系任教授；1956年被国务院调到北京大学联合筹建半导体专业组；1958年夏谢希德又调回复旦大学，参加该大学与中国科学院上海分院联合主办的技术物理研究所，并任该所副所长；1980年当选为中国科学院数理学部委员，1981年获美国史密斯学院、美国纽约学院荣誉博士学位；1983年1月出任复旦大学校长；1989年当选为第三世界科学院院士；1990年当选为美国文理科学院外籍院士；1997年出任上海杉达学院校长；2000年3月4日逝世于上海，享年79岁。
科技兴则民族兴，科技强则国家强，核心科技是国之重器。核心技术并不是那么容易引进的，也不可能一蹴而就，需要国人不忘初心，砥砺前行。2021年，我国半导体存储器生产线大规模扩产，并带动全球存储器设备投资。实际需要必将极大地推动器件的不断创新，作为未来的电子工程技术人员，我们必须对半导体及其常用器件有初步的了解和认识，为在实际工程中正确使用半导体器件打下基础。
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