第2章半导体器件基础

1、1/57问题：问题：1.常用电子器件有哪些？常用电子器件有哪些？2. 这些器件有什么特点？这些器件有什么特点？主讲:章春娥第第2章章 二极管及其典型应用二极管及其典型应用2/57第第2章章 二极管及其典型应用二极管及其典型应用2.1 2.1 半导体基础知识半导体基础知识2.2 PN2.2 PN结结2.3 2.3 二极管二极管的结构与类型的结构与类型2.4 2.4 二极管典型应用电路二极管典型应用电路3/57一、半导体的特性一、半导体的特性二、本征半导体二、本征半导体三、杂质半导体三、杂质半导体4/57 何谓半导体？何谓半导体？物体分类物体分类导体导体 导电率为导电率为10105 5s.cms.

2、cm-1-1，量级，如金属量级，如金属绝缘体绝缘体 导电率为导电率为1010-22-22-10-10-14 -14 s.cms.cm-1-1量级，量级，如：橡胶、云母、塑料等。如：橡胶、云母、塑料等。 导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。如：硅、锗、砷化镓等。半导体半导体 半导体特性半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加温度特性温度特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光照

3、特性光敏器件光敏器件光电器件光电器件5/57本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。纯度：纯度：99.9999999%，“九个九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体常用的本征半导体+4晶体特征晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子硅（锗）的原子结构简化模型结构简化模型价电子价电子正离子正离子注意：注意：为了方便，为了方便，原子结构常用二维原子结构常用二维结构描述，实际上结构描述，实际上是三维结构。是三维结构。6/57锗晶体的共价键

4、结构示意图锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带结构示意图半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为价带中留下的空位称为空穴空穴导带导带自由电子定向移动自由电子定向移动形成形成电子流电子流 本征半导体的原子结构和共价键结构本征半导体的原子结构和共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子共价键内的电子称为称为束缚电子束缚电子价带价带禁带禁带EG外电场外电场E束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的定向移动形成定向移动形成空穴流空穴流12挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子称为称为自由电子自由电子热激发、本征激发热激发、本征激发7/571. 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种

5、载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴它们是成对出现的它们是成对出现的2. 在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流自由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动自由电子始终在导带内运动空穴流空穴流价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的与外电场方向相同与外电场方向相同空穴始终在价带内运动空穴始终在价带内运动3. 本征半导体在热力学温度本征半导体在热力学温度0K和没有外界能量激发下，不导电。和没有外界能量激发下，不导电。8/57 本征半导体的载流子的浓度本征半导体的载流子的浓度电子浓度

6、电子浓度ni : :表示单位体积的自由电子数表示单位体积的自由电子数空穴浓度空穴浓度pi : :表示单位体积的空穴数。表示单位体积的空穴数。G3/22iioEKTnpATeA0 0与材料有关的常数与材料有关的常数EG G禁带宽度，能量度量禁带宽度，能量度量T绝对温度绝对温度K玻尔曼常数玻尔曼常数结论结论1. 本征半导体中本征半导体中 电子浓度电子浓度ni i = = 空穴浓度空穴浓度pi i 2. 载流子的浓度与载流子的浓度与T、EG有关有关 9/57 载流子的产生与复合载流子的产生与复合g载流子的产生率载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R载流子的

7、复合率载流子的复合率 即每秒成对复合的电子空穴的浓度。即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时当达到动态平衡时 g= =R R = r nipi 其中其中r复合系数，与材料有关复合系数，与材料有关10/57杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。掺杂后半导体的导电率大为提高。 掺入的三价元素如掺入的三价元素如B（硼）、（硼）、Al（铝）（铝）等，形成等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。型半导体，也称空穴型半导体。 掺入的五价元素如掺入的五价元素如P（磷）（磷） 、砷等，、砷等，形成形成N型半导体，也称电子型半导体。型半导体，也称电

8、子型半导体。11/57 N型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入的五价元素如在本征半导体中掺入的五价元素如P。价带价带导带导带+施主施主能级能级自由电子是多子自由电子是多子空穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为子，因此将其称为施主杂质。施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为带正电荷成为正离子。正离子。12/57 P型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入的三价元素如在本征半导体中掺入的三价元素

9、如B。价带价带导带导带-受主受主能级能级自由电子是少子自由电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成因留下的空穴很容易俘获因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为电子，使杂质原子成为负负离子。离子。三价杂质三价杂质 因而也因而也称为称为受主杂质受主杂质。 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度 因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持保持不变，在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为不变，在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数，即存在如下关系。一常数，即存在如下关系。n p = ni pi= ni2=C

10、在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变，并等于多，但两者乘积保持不变，并等于ni2 。N型半导体：型半导体：施主杂质的浓度施主杂质的浓度ND n 表示总电子的浓度表示总电子的浓度 p 表示空穴的浓度表示空穴的浓度n =p+ND ND（施主杂质的浓度（施主杂质的浓度p）P型半导体：型半导体： NA表示受主杂质的浓度表示受主杂质的浓度 ， n 表示电子的浓度表示电子的浓度 p 表示总空穴的浓度表示总空穴的浓度p= n+ NA NA （受主杂质的浓度

11、（受主杂质的浓度n）14/5715/57P区区N区区扩散运动扩散运动载流子载流子从从浓度浓度大大向浓度向浓度小小的区域的区域扩散扩散,称称扩散运动扩散运动形成的电流成为形成的电流成为扩散电流扩散电流内电场内电场内电场内电场阻碍多子阻碍多子向对方的向对方的扩散扩散即即阻碍扩散运动阻碍扩散运动同时同时促进少子促进少子向对方向对方漂移漂移即即促进了漂移运动促进了漂移运动扩散运动扩散运动=漂移运动时漂移运动时达到达到动态平衡动态平衡3耗尽层耗尽层=PN结结导电性能？导电性能？16/57内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 因浓度差因浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形

12、成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散多子从浓度大向浓度小的区域扩散, 称扩散运动。称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。扩散运动产生扩散电流。漂移运动漂移运动少子向对方漂移少子向对方漂移,称漂移运动。称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流= =漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流结内总电流=0=0。PN PN 结结稳定的空间电荷区稳定的空间电荷区，又称高阻区，又称高阻区 ，也称耗尽层。，也称耗尽层。17/57内电场内电场 U 内电场内电场 的建立，使

13、的建立，使PNPN结中产生结中产生电位差。从而形成可以电位差。从而形成可以使使PNPN结导电结导电的的接触电位接触电位U 接触电位接触电位U 决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度硅：硅： U U =0.6=0.60.7 V0.7 V锗：锗： U U =0.2=0.20.3 V0.3 V18/571. PN1. PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外电场方向与外电场方向与PN结内结内电场方向相反，削弱了内电场方向相反，削弱了内电场。电场。 于是内电场对多子扩于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。电流加大。 扩散电流远大于漂移扩散电流远大于漂

14、移电流，可忽略漂移电流的电流，可忽略漂移电流的影响影响( (高于接触电位高于接触电位) )。 PN结呈现低阻性，处结呈现低阻性，处于导通状态。于导通状态。P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；内内4外外19/572. PN2. PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外电场与外电场与PN结内电场方结内电场方向相同，增强内电场。向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。形成的漂移电流加大。

15、 此时此时PN结区少子漂移电结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩流大于扩散电流，可忽略扩散电流。散电流。 PN结呈现高阻性，近似结呈现高阻性，近似认为截止状态。认为截止状态。P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏；内内5外外20/57 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。小结：小结： PN结加正向电压时，呈结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向现低电阻，具有较大的正向扩散电流；扩散电流； PN结加反向电压时，呈结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向现高电阻，具有很小的反向漂移电流。漂移电

16、流。67问题：有必要问题：有必要加电阻加电阻R吗？吗？21/57式中式中 Is 反向饱和电流，反向饱和电流，10-810-14A ； UT = kT/q 温度电压当量温度电压当量 k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；q为电子的电量；为电子的电量； T=300k（室温）时（室温）时 UT= 26mvPN结两端的电压与结两端的电压与流过流过PN结电流的关系式结电流的关系式由半导体物理可推出由半导体物理可推出：1)(TSUUeII 当加反向电压时：当加反向电压时： 当加正向电压时：当加正向电压时：(UUT)TSUUeII SII 3. PN3. PN结电流方程结电流方程22/571)(TSUUeII当加

17、反向电压时：当加反向电压时：当加正向电压时：当加正向电压时： (UUT)TSUUeII SII 结电流方程结电流方程IU23/57 势垒势垒电容电容CB 当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为等效的电容为势垒电容。势垒电容。24/57 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而结的另一侧面积累而形成的。因形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子，与外电区的电子，与外电源提供

18、的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。分布曲线。注意：注意： 势垒电容和扩散电容均是势垒电容和扩散电容均是非线性电容非线性电容, ,并同时存在。外加并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。是变化较快时不容忽略。 扩散扩散电容电容CD 外加电压不同情况下，外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程

19、与电容充放积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效电过程相同，这种电容等效为扩散电容。为扩散电容。25/57反向击穿：反向击穿： PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。流激增的现象。雪崩击穿雪崩击穿当反向电压增高时，当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电当反向电压较大时，强电场直接

20、从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子子拉出来，形成大量载流子, ,使反向电流激增。使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度击穿是可逆。掺杂浓度小小的二极管容易发生。的二极管容易发生。击穿是可逆。掺杂浓度击穿是可逆。掺杂浓度大大的二极管容易发生。的二极管容易发生。不可逆击穿不可逆击穿 热击穿。热击穿。 PN结的电流或电压较大，使结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致升高，导致PN结过热而烧毁。结过热而烧毁。26/57 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。小结：小结： PN结加正向电压时，呈结加正向电压时，

21、呈现低电阻，具有较大的正向现低电阻，具有较大的正向扩散电流；扩散电流； PN结加反向电压时，呈结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向现高电阻，具有很小的反向漂移电流。漂移电流。6727/57一、晶体一、晶体二极管的结构类型二极管的结构类型二、晶体二、晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性三、晶体三、晶体二极管的等效电阻二极管的等效电阻四、光电二极管四、光电二极管五、发光五、发光二极管二极管六、稳压二极管六、稳压二极管七、变容七、变容二极管二极管2.4、二极管的典型应用、二极管的典型应用28/57一、晶体一、晶体二极管的结构类型二极管的结构类型在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上

22、加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分二极管按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。29/57伏安特性：伏安特性：是指二极管两是指二极管两端电压端电压和流过二极管和流过二极管电流电流之间的关系。之间的关系。由由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，结电流方程求出理想的伏安特

23、性曲线，IU1.1.当加正向电压时当加正向电压时PN结电流方程为：结电流方程为：1)(TSUUeII2.2.当加反向电压时当加反向电压时TSUUeII I 随随U，呈指数规律，呈指数规律I = - Is 基本不变基本不变二、晶体二、晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性30/57 晶体晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性 正向起始部分存在一正向起始部分存在一个死区或门坎，称为个死区或门坎，称为门限电压门限电压。 加反向电压时，反向加反向电压时，反向电流很小。电流很小。 I Is s硅硅(nA)(nA)I Is s锗锗( ( A A) ) 硅管比锗管稳定硅管比锗管稳定。 当反压增大到当反压增大到V

24、 VBRBR时时再增加，反向激增，再增加，反向激增，发生反向击穿，发生反向击穿，V VBRBR称为反向击穿电压。称为反向击穿电压。实测伏安特性实测伏安特性二、晶体二、晶体二极管的伏安特性（续）二极管的伏安特性（续）材料材料 门限电压门限电压 导通电导通电压压 Is/ A硅硅 0.50.6V 0.7V 0时时u2 0时，二极管瞬间导通，时，二极管瞬间导通，C快速充电，快速充电，Uc=V1，充电结束，充电结束，R无电流，输出无电流，输出uo=0. 当输入当输入ui0.7V时，二极管导通，导通后，时，二极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，时，二极管导通

25、，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限使用时注意加限流电阻流电阻。 晶体二极管基本用途是整流晶体二极管基本用途是整流/稳压和限幅等。稳压和限幅等。 半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电电、电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。管应在正偏电压下工作。小小 结结52/57重点重点：晶体二极管的原理、伏

26、安特性及电流方程晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。难点难点：1.1.两种载流子两种载流子 2.PN2.PN结的形成结的形成 3 3. .单向导电性单向导电性 4.4.载流子的运动载流子的运动重点难点重点难点53/57例题：例题： 判断图示电路中的二极管能否导通。判断图示电路中的二极管能否导通。判断二极管在电路中工作状态的方法是先假判断二极管在电路中工作状态的方法是先假设二极管断开，分别计算二极管两极的电压，然后比较设二极管断开，分别计算二极管两极的电压，然后比较阳极电压与阴极间将承受的电压，如果该电压大于二极阳极电压与阴极间将承受的电压，如果该电压大于二极管的导通电压，则说明二极管导通，否则截止。管的导通电压，则说明二极管导通，否则截止。 如果判断过程中，电路出现两个以上的二极管承受如果判断过程中，电路出现两个以上的二极管承受大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优先导通，其两端电压为导通电压，然后在用上述