半导体二极管及其基本电路1课件

模拟电子技术基础2008.3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2.2PN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2.1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杂质半导体二、半导体的导电特点:（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。2.1.2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。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：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+4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，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。+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。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。2.1.4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？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。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。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。

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=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/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=5×1016/cm3

四、杂质对半导体导电性的影响2.2PN结的形成及特性

2.2.1PN结的形成

2.2.2PN结的单向导电性

2.2.3PN结的反向击穿

2.2.4PN结的电容效应2.2.1PN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1、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PN结形成的物理过程：

因浓度差

空间电荷区形成内电场

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2.2.2PN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1.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。

2.2.3PN结的反向击穿

当PN结的反向电压增加到一定数