半导体二极管及其基本电路1

1、模拟电子技术基础2008.31第二章 半导体二极管及其 基本电路 2.1 半导体的基本知识2.2 PN结的形成及特性2.3 半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管22.1 半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体 2.1.4 杂质半导体32.1.1 半导体材料典型的半导体有硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓(GaAs)。一、导体、绝缘体和半导体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。4二、半导体

2、的导电特点:（1）当受到外界温度、光照等环境因素的影响时，其导电能力有明显变化。（2）向纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。光敏、热敏特性掺杂特性为什么半导体导电会具有这些特点？根本原因是由于半导体具有特殊的内部结构共价键的晶体结构。52.1.2 半导体的共价键结构GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。常见的半导体材料硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。6在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：7硅和锗的共价键结构共价

3、键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子8共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，在绝对零度（0K）和无外界激发的条件下，束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此很难导电；常温下纯净半导体中的自由电子也很少，所以此时半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+49本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。2.1.3 本征半导体一、本征激发在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，

4、相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。10+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征激发：由于热激发或光照而产生自由电子和空穴对，这个过程称为本征激发。自由电子和空穴统称为载流子。电子带负电，空穴带正电。11二、本征半导体的导电机理+4+4+4+4 在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。12温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响

5、半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。132.1.4 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。思考：杂质半导体可能有几种类型？14一、N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子

6、的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。15+4+4+5+4多余电子磷原子思考：N 型半导体中的两种载流子数量是否相等？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2. 由于本征激发产生的电子和空穴对。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。16二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂

7、质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。17三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体注：杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。18 掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓

8、度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 四、杂质对半导体导电性的影响19 本征半导体、本征激发 本节中的有关概念end自由电子空穴N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价) 多数载流子、少数载流子杂质半导体复合*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度载流子浓度导电能力*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力202.2 PN结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应2

9、12.2.1 PN结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的运动，在它们的交界面处就形成了PN 结。载流子的运动：扩散运动:由于浓度差产生的载流子移动漂移运动:在电场作用下，载流子的移动221、浓度差多子的扩散运动2、扩散空间电荷区内电场3、内电场少子的漂移运动阻止多子的扩散4、扩散与漂移达到动态平衡P区N区扩散：空穴电子漂移：电子空穴形成过程可分成4步。(动画)内电场23 空间电荷区+NP内电场对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 24PN结形成的物理过程： 因浓度差 空间电荷

10、区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区 扩散 漂移否是宽252.2.2 PN结的单向导电性只有在外加电压时才表现单向导电性。扩散与漂移的动态平衡将被打破。加正向电压，简称正偏加反向电压，简称反偏 扩散 漂移 大的正向扩散电流（多子） 低电阻 正向导通 漂移 扩散 很小的反向漂移电流（少子） 高电阻 反向截止261. PN结具有单向导电性。2. 加正向电压PN结导通 较大的正向电流 结电阻很低。3. 加反向电压PN 结截止 很小的反向电流漂移 结电阻很高。* 结论：上述特性可用曲线表示。27PN结特性描述：其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）1、PN结的伏安特性2、PN结方程特性平坦反向截止 一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的陡峭电阻小正向导通正向：反向：近似非线性28 2.2.3 PN