电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：5297952 Email：wanghuatao@hit.edu.cn 2012年春

第三章 电气性能的封装设计基础 3.1 概述 3.2 电学基础 电阻1 半导体 pn结 二极管 电阻2 电感 电容

3.2 电学基础 电阻1（本节内容） 半导体 pn结 二极管 《半导体物理学》刘恩科等编著 第4版 国防工业出版社 2010 晶体管（以前的课程学过） 旧知识？深刻理解 问：pn结怎么形成的，有什么应用？

半导体 金属、半导体、绝缘体/能带 本征半导体 杂质半导体

超导体 磁悬浮列车 何谓超导体？电阻为零。为什么？ 超导现象的发现是与低温技术的发展分不开的。 1906年荷兰著名低温物理学家昂纳斯（H．K．Onnes，1853—1926）首次制备出液态氮，获得4K的低温（相当于-269℃），随后又获得了1.04K的低温。

昂纳斯首先研究低温下水银电阻的变化。1911年发现了水银的超导现象。（解释图，横纵坐标） 在4．2K附近水银电阻突然变小。图中是水银的电阻随温度的变化情况，纵坐标是该温度下水银电阻与0℃时电阻的比值：R（T）／R（0℃）。 继续降温到3K时，电阻降到仅为0℃时电阻值的10-7Ω，电阻值实际已可看作零了。

超导体 超导体 导体 超导的机制？ 何谓电阻（电导）？ 半导体 绝缘体

电阻 电阻用欧姆定律描述如下：导电体两端的电压与通过导电体的电流成正比 电阻率 R为电阻值——单位Ω 为电阻率——单位Ω·cm 式中，V是加在导体上的电压；I是导体中的电流。 电阻的单位是欧姆（Ω） 电阻率 R为电阻值——单位Ω 为电阻率——单位Ω·cm 　　 S为横截面积——单位cm2 　　 L为导线的长度——单位cm

电阻 电阻率是反映物质对电流阻碍作用的属性； 电阻率 不仅和导体的材料有关，还和导体的温度有关。 电阻率的倒数为电导率，σ=1/ 电阻率 不仅和导体的材料有关，还和导体的温度有关。 电阻率的倒数为电导率，σ=1/ 单位为：Ω-1·cm-1

电阻/电导 示图 解释图 数量级上的差别

电阻/电导 问：用什么理论来解释这种现象？

能带理论 问：你如何理解？电子有能带？能带看得见，摸得着？ 视频 3_1 光电效应/光电管 从能量的角度，理解电子的可迁移性 导带 禁带 价带 问：你如何理解？电子有能带？能带看得见，摸得着？ 视频 3_1 光电效应/光电管 从能量的角度，理解电子的可迁移性

光电效应 半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发 [电子受激发（接受能量），可以跃迁，成自由电子] 增强感性认识，加深理解

金属的电阻 金属是一群原子以晶格结构形成的晶体

金属的电阻 每个原子都拥有一层（或多层）由电子组成的外壳。处于外壳的电子能脱离原子核的吸引力而到处流动，形成一片电子海，使得金属能够导电。 示图 说明内外层吸引力不同，能级不同 当施加电势差（即电压）于金属两端时，因为感受到电场的影响，这些自由电子会呈加速运动。

金属的电阻 给予一个具有完美晶格的金属晶体，移动于这晶体的电子，其运动等价于移动于自由空间、具有有效质量的电子的运动。所以，假设热运动足够微小，周期性结构没有偏差，则这晶体的电阻等于零。

金属的电阻 但是，真实晶体并不完美，时常会出现晶体缺陷 有些晶格点的原子可能不存在，可能会被杂质侵占。这样，晶格的周期性会被扰动，因而电子会被散射。 示图

金属的电阻 另外，假设温度大于绝对温度，则处于晶格点的原子会发生热振动，因而出现热振动的粒子——声子——在晶体中运动。温度越高，声子越多。声子会与电子发生碰撞，这过程称为晶格散射。 主要由于上述两种散射（晶格缺陷和晶格振动），自由电子的流动会被阻碍，晶体因此具有有限电阻。 问：什么是声子？

声子散射 声子（Phonon ）是一种非真实的准粒子，是用来描述晶体原子热振动——晶格振动规律的一种能量量子，它的能量等于ħωq。 这种作用可采用载流子与声子的散射来描述，即称为声子散射。

声子散射 系统中声子的数目与温度有关：因为温度越高，晶格振动就越剧烈，其能量量子数目就越多，即声子数也就越多。因此随着温度的上升，声子散射载流子的作用也就越显著。

电阻 超导体 导体（金属） 半导体 绝缘体 材料依其导电性可分为超导体、导体、半导体、及绝缘体。 当电流在导体内流过时，事实上是因为导体内的自由电荷(在金属中的自由电荷是电子，而在溶液中的自由电荷则为阴、阳离子)产生漂移而造成的。 根据材料的不同，自由电荷的漂移方式也不相同： 在超导体中，电子几乎不受原子核的干扰而能够快速移动； 半导体 绝缘体

电阻 超导体 导体（金属） 半导体 绝缘体 在导体内电子的移动受限于该材料所造成的电子海的能阶大小（？）； 而在半导体内，电子能够移动是因为电子-空穴效应； 而绝缘体则是电子受限于分子所构成的共价键，使得电子要脱离原子是一件非常困难的事。 因此，没有绝对绝缘的绝缘体，只要有足够大的能量（例如高压电）就可以使电子得以通过某绝缘体。 而在溶液中的电子流动是因为离子游动而造成的，能够让电流通过的溶液称为电解质溶液。

半导体 半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。 按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。 锗和硅是最常用的元素半导体； 化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉）等 视频：3_2 How Photovoltaic Solar Cells Work（为pn结铺垫）

本征半导体 本征半导体： 不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。 价带中的部分电子，受光电注入或热激发后，越过禁带进入能量较高的导带；价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。 哪些条件能使电子激发？如何激发？激发的能量有多大？ 光、热、电？

本征半导体 导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电，示右图

本征半导体 问：电子/空穴的运动？ 是从高电势直接到低电势呢？还是串着走？还是别的？

本征半导体 导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。 什么条件发光，什么条件发热？ 在一定温度下，电子- 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。 温度升高时，将产生更多的电子- 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。为什么？ 无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。

杂质半导体 半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为n型半导体和p型半导体。 半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。 为什么杂质能够改变周期势场？

n型半导体 能提供电子载流子的杂质称为施主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。 这是什么意思？ 例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近。

n型半导体 示图 这个电子是自由电子？

n型半导体 施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为n型半导体。 由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。重要。 强调，同一种半导体中， 并非只存在一种载流子 高价元素提供半束缚电子， 与基体原子的电子相比，更容易 跃迁到导带，成为自由电子。 示图

p型半导体 能提供空穴载流子的杂质称为受主杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。 例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。

p型半导体 空穴 空穴会起什么作用？

p型半导体 由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。 示图

p型半导体 在p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。 强调，同一种半导体中，并非只存在一种载流子 低价元素提供半束缚的空穴，电子跃迁到该空穴比跃迁到导带更容易。示图。

n/p型半导体 一个半导体材料有可能先后掺杂施主与受主，而决定此非本征半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中，受主带来的空穴浓度较高或是施主带来的电子浓度较高，亦即何者为此非本征半导体的“多数载流子”。和多数载流子相对的是少数载流子。

载流子浓度 掺杂物浓度对于半导体最直接的影响在于其载流子浓度。在热平衡的状态下，一个未经掺杂的本征半导体，电子与空穴的浓度相等，如下列公式所示： n = p = ni 其中，n是半导体内的电子浓度、p则是半导体的空穴浓度，ni则是本征半导体的载流子浓度。ni会随着材料或温度的不同而改变。对于室温下的硅而言，ni大约是1×1010 cm-3。 通常掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入导带的电子数量会随着掺杂浓度提高而增加。

半导体和绝缘体 半导体和绝缘体之间的差异在于两者之间能带宽度不同，亦即电子欲从价带跃迁到导带时所必须获得的最低能量不一样。通常能带宽度小于3电子伏特（eV）者为半导体，以上为绝缘体。

应用 当电子从导带掉回价带时，减少的能量可能会以光的形式释放出来。这种过程是制造发光二极管（LED）以及半导体激光的基础，在商业应用上都有举足轻重的地位。 而相反地，半导体也可以吸收光子，透过光电效应而激发出在价带的电子，产生电讯号。这即是光探测器的来源，在光纤通讯或是太阳能电池的领域是最重要的元件。

pn结 漂移运动 n/p型半导体在外加电场的情况下，会作定向运动。这种运动成为电子与空穴（统称“载流子”）的“漂移运动”，并产生“漂移电流”。载流子的浓度越大，所产生的漂移电流越大。 扩散运动 由于某些外部条件而使半导体内部的载流子存在浓度梯度的时候，将产生扩散运动，即载流子由浓度高的位置向浓度低的位置运动，最终达到动态平衡状态。由扩散运动产生的电流称扩散电流。

pn结 在p型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。

pn结 当p型和n型半导体接触时，在界面附近空穴从p型半导体向n型半导体扩散，电子从n型半导体向p型半导体扩散。 空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。

pn结 p型半导体一边的空间电荷是负离子 ，n型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。

4）内电场促使少子漂移，阻止多子扩散，示意电场方向 问：少子何来？ 扩散运动 漂移运动 1）因浓度差→多子的扩散运动 2）界面处，由杂质离子形成空间电荷区 3）空间电荷区形成形成内电场 4）内电场促使少子漂移，阻止多子扩散，示意电场方向 问：少子何来？ 5）最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在p型半导体和n型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为pn结。pn结的内电场方向由n区指向p区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

问：如果耗尽区，受光照，激发出自由电子，该自由电子去向如何？ 扩散运动 漂移运动 问：如果耗尽区，受光照，激发出自由电子，该自由电子去向如何？ 视频：3_3 details How a Silicon Solar Cell Works

pn结的光生伏特效应 设入射光垂直pn结面，如结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁代宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。 在光激发下，多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究少数载流子的运动。

n型半导体 p型半导体 电极 内电场 太阳光伏电子 由于pn结势垒区内存在较强的内电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动； p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是pn结两端形成了光生电动势，这就是pn结的光生伏特效应。 由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在pn结内部形成自n区向p区的光生电流

pn结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在pn结区，方向与pn结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，pn结呈现低阻性。 - + 内电场作用：促使少子漂移，阻止多子扩散

pn结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在pn结区，方向与pn结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时pn结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，pn结呈现高阻性。 - + 内电场作用： 促使少子漂移，阻止多子扩散

pn结加反向电压时的导电情况 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 - + 内电场作用：促使少子漂移，阻止多子扩散

pn结具有单向导电性 pn结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；pn结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：pn结具有单向导电性。

pn结的击穿特性 当反向电压逐渐增大时，反向饱和电流不变。但是当反向电压达到一定值时，pn结将被击穿。

pn结的击穿特性 在pn结中加反向电压， 如果反向电压过大， 位于pn结中的载流子会拥有很大的动能， 足以和中性粒子碰撞使中性粒子分离出价电子而产生空穴-电子对。 这样会导致pn结反向电流的急剧增大，发生pn结的击穿， 因为被弹出的价电子又可能和其他中性粒子碰撞产生连锁反应， 类似于雪崩，这样的反向击穿方式成为雪崩击穿。

pn结的击穿特性 掺杂浓度越低所需电场越强。（为什么） 当掺杂浓度非常高时， 在pn结两端加入弱电场就会使中性粒子中的价电子脱离原子的束缚， 从而成为载流子。导致pn结的击穿。这样的击穿被称作齐纳击穿。掺杂浓度越高所需要的电场越弱。 一般小于6V的电压引起的是齐纳击穿， 大于6V的引起的是雪崩击穿。

伏安特性 pn结的最大特性为单向导电性，反映到伏安特性曲线如上图。 数值有些夸大 pn结的最大特性为单向导电性，反映到伏安特性曲线如上图。 当正向电压达到一定值时，pn结将产生正向偏置，pn结被导通（图中蓝色部分） 当反向电压在一定范围内时，pn结产生微弱的反向饱和电流（图中绿色部分） 当反向电压超过一定值时，pn结被击穿（图中黄色部分）。 真实数值

二极管 二极管又称晶体二极管，简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管； 它是一种具有单向传导电流的电子器件。 在半导体二极管内部有一个pn结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向传导电流的特性。 一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的pn结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。 单向传导电流；击穿特性（也就是一个pn结）

二极管的应用 整流二极管 开关元件 发光元件 利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。 整流二极管 　　 利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。 　　 开关元件 　　 二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。 发光元件 发光二极管（LED），问原理是什么？如何设计？ 视频 3_4 3D LED Screen-Dance(三维LED显示屏)

发光二极管（LED） 发光二极管 英语：Light-Emitting Diode，简称LED 是一种能发光的半导体电子元件。 在半导体p-n结或与其类似结构上通以正向电流时，能发射可见或非可见辐射的半导体发光器件。这叫电致发光效应。 体积小、响应快、寿命长、节能

原理——场致发光 半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发（光生伏特效应） 同样，处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量。也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这就是半导体的发光现象。

原理——场致发光 产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。 根据不同的激发形式，可以有各种发光过程：如电致发光、光致发光和阴极发光等。 电致发光，也称场致发光，是由电流（电场）激发载流子，是电能直接转变为光能的过程。

原理——场致发光 发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。 与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（负极），而相反方向则不能。（为什么？） 两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量（光子也即是我们常称乎的光）。

结构

Si的pn结能发光么？ 所发出的光的波长（决定颜色），是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。（禁带宽、发光波长短） 由于硅和锗是间接带隙材料，在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，而是把能量转化为热能，所以硅和锗二极管不能发光。但在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显。 发光二极管所用的材料都是直接带隙型的，因此能量会以光子形式释放，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。（GaAs） 视频： 3_6 Samsung 3D LED TV - Full Commercial 3_5 MAKE presents The LED

小结A——3.2 电学基础 超导体 金属 半导体 绝缘体与半导体的区别 电阻、电导 引入能带理论，电子能够受激发 金属的电阻、声子、金属电阻与温度的关系/为什么 半导体 本征半导体，本征半导体电阻与温度的关系/为什么 杂质半导体 p型 n型 电子、空穴、少子、多子、载流子浓度 绝缘体与半导体的区别

小结B——3.2 电学基础 pn结 形成 应用一 单向导电性 扩散运动、漂移运动 空间电荷区、耗尽层及其功能 光生伏特效应（太阳能电池） 正向加压 反向加压

小结C——3.2 电学基础 pn结 击穿特性 伏安特性 发光二极管 定义，pn结击穿的原因 掺杂浓度与击穿电压的关系 大于6V的引起的是雪崩击穿 齐纳击穿 伏安特性 发光二极管 电致发光的原理 发光二极管所用的材料都是直接带隙型 Si、Ge是？