半导体半导体器件PN结

半导体半导体器件PN结第一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.1非平衡载流子§5.2PN结§5.3金属-半导体接触§5.4晶体三极管主要内容ChapterChapterChapter5Semiconductor

第二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.1非平衡载流子§5.1.1非平衡载流子的注入与复合§5.1.2准费米能级§5.1.3复合理论§5.1.4非平衡载流子的运动ChapterChapterChapter5Semiconductor

第三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.1.1非平衡载流子注入与复合热平衡状态平衡载流子浓度非平衡状态非平衡载流子过剩载流子第四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五一、非平衡载流子的注入与复合1．光注入

用波长比较短的光

照射到半导体光照∆n∆pnopo光照产生非平衡载流子Chapter5ChapterChapterSemiconductor

用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法光子把价带电子激发到导带上第五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五2．电注入3．非平衡载流子浓度的表示产生的非子一般都用n，p来表示。达到动态平衡后：n=n0+n

p=p0+pn0，p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度，

n，p为非子浓度。

PN结正向工作Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五对同块材料：n=p

热平衡时n0·p0=ni2，非平衡时n·p＞ni2

n型：

n—非平衡多子p—非平衡少子p型：p—非平衡多子n—非平衡少子Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五注意：

n，p—非平衡载流子的浓度n0，p0—热平衡载流子浓度n，p—非平衡时导带电子浓度和价带空穴浓度Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五4．大注入、小注入●注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的多子浓度，称为大注入。n型：n>n0，p型：p>p0

●注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓度，小于平衡时的多子浓度，称为小注入。n型：p0<n<n0，或p型：n0<p<p0

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五例：1cm的n型硅中，n05.51015cm-3,p03.1104cm-3.注入非子n=p=1010cm-3

则n<<n0，小注入但p>>p0。非平衡少子浓度>>平衡少子浓度即使小注入，实际上，非平衡少子起重要作用。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五非平衡载流子的复合：产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到平衡状态，过剩载流子消失，这一过程称为~实际上，任何时候电子和空穴总是不断产生和复合。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五二、非平衡时的附加电导

热平衡时：非平衡时：Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五——附加电导率

n型：多子：

少子：

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五三、非平衡载流子的检测与寿命1．非平衡载流子的检测设外接电阻R>>r(样品的电阻)Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五光注入引起附加光电导光照R半导体rR≥r△r△VChapter5ChapterChapterSemiconductor

外第十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五

无光照时：有光照后：Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Chapter5ChapterChapterSemiconductor

电压的变化反映附加电导率的变化-少数载流子注入第十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五2．非平衡载流子随时间的变化规律

(1)随光照时间的变化

t=0，无光照，Vr=0△Vrt0t>0，加光照↑有净产生Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五(2)取消光照在t=0时，取消照，复合>产生。△Vrt0复合与产生共存。

↓有净复合产生载流子的外部作用撤除后，半导体由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子消失。

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五3．非子的平均寿命

假设t=0时，停止光照

t=t时，非子浓度为p(t)

t=t+t时，非子浓度为p(t+t)

在t时间间隔中，非子的减少量：p(t)—p(t+t)

单位时间、单位体积中非子的减少为：非平衡载流子在半导体中的平均生存时间称为非子寿命τ。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第二十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五当t0时，t时刻单位时间单位体积被复合掉的非子数，为：假设复合概率为Chapter5ChapterChapterSemiconductor

1/

τ为单位时间内非子的复合概率第二十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五

C为积分常数t=0时，Chapter5ChapterChapterSemiconductor

非子浓度随时间按指数衰减的规律△pt0第二十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五非子的平均寿命：

t=时，非子浓度τ为非平衡载流子的寿命Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第二十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五0τt非子寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第二十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.1.2准费米能级一、非平衡态时的准费米能级

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第二十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五热平衡状态的标志－－统一的费米能级来描述电子和空穴浓度非平衡状态－－导带准费米能级价带准费米能级二、非平衡态时的载流子浓度

1．表达式Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第二十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五热平衡态时：

非平衡时：

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第二十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五2．准费米能级的位置

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第二十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五N型材料：

略高于EF,远离EF

P型材料：

略低于EF,远离EF

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第二十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五N型EcEvEFEFnEFpP型EcEvEFEFpEFnChapter5ChapterChapterSemiconductor

一般在非平衡时，多子的准费米能级和平衡时偏差不多，而少子的准费米能级偏离很大。第三十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五3．非平衡态的浓度积与平衡态时的浓度积Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第三十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五EFn和EFp偏离的大小反映np

和ni2相差的程度，即半导体偏离热平衡态的程度。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第三十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.1.3复合理论

产生非子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，非子逐渐消失，这一过程叫。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第三十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五一、复合类型

按复合机构分直接复合：•°EcEv间接复合：EcEv•°Et电子和空穴在导带和价带之间直接跃迁而引起的复合电子和空穴通过禁带能级进行复合Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第三十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五按复合发生的位置分表面复合

体内复合

按放出能量的形式分

发射光子

俄歇复合

发射声子

→辐射复合

→无辐射复合

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

声子发射（发光复合）

其他载流子

→第三十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五二、直接复合

1．复合率和产生率(1)复合率：单位时间、单位体积中被复合的载流子对（电子、空穴对），量纲为：对(个)/s·cm3

用R表示

Rnp

R=rnpChapter5ChapterChapterSemiconductor

r：比例系数，它表示单位时间一个电子与一个空穴相遇的几率，通常称为复合系数

第三十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五当n=n0，p=p0时，rn0p0=热平衡态时单位时间、单位体积被复合掉的电子、空穴对数对直接复合，用Rd表示复合率Rd=rdnp—非平衡

Rd=rdn0p0—热平衡

rd为直接复合的复合系数

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第三十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Q在所有非简并情况下，基本相同，与温度有关，与n,p

无关Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第三十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五非平衡态下的产生率Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第三十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第四十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Chapter5ChapterChapterSemiconductor

小注入时，非子寿命决定于材料；多子浓度大，小第四十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Chapter5ChapterChapterSemiconductor

大注入时，非子寿命决定于注入；注入浓度大，小第四十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五EcEvEt•(一)(二)Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第四十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电子由Ec→Et••(甲)(乙)(丙)(丁)Chapter5ChapterChapterSemiconductor

动画第四十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五2．复合稳态时复合中心的电子浓度

在稳定时，甲、乙、丙、丁四个过程必须保持复合中心的电子数不变

甲+丁=乙+丙••(甲)(乙)(丙)(丁)Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第四十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五甲丁丙乙Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第四十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五3．间接复合的复合率ui和寿命i

当复合达到稳态时un=up

甲乙un电子的净复合率Chapter5ChapterChapterSemiconductor

单位时间、单位体积导带减少的电子数等于价带减少的空穴数第四十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Chapter5ChapterChapterSemiconductor

它等于费米能级Ef与复合中心能级Et重合时导带的平衡电子浓度它等于费米能级Ef与复合中心能级Et重合时价带的平衡空穴浓度第四十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五热平衡时

上式为通过复合中心复合的普遍理论公式Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第四十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五非平衡态时

当nt很小时，近似地认为

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第五十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第五十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五(1)小注入的N型材料为深能级，接近Ei

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

EcEvEFEt第五十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五同样n0>>p1Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第五十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五N型材料的非子的间接复合寿命决定于空穴的寿命

N型材料中,对寿命起决定作用的是复合中心对少子空穴的俘获系数rpChapter5ChapterChapterSemiconductor

EcEvEFEtEf远在Et之上，复合中心能级基本上填满电子，及俘获电子过程总是完成了，因而这Nt个被电子填满的重新对空穴的俘获率决定寿命第五十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五(2)小注入的p型材料EcEvEFEt非子的寿命决定于电子的寿命

Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第五十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五(3)大注入第五十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五三、俄歇复合－－非辐射复合

载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子－－空穴复合时，将多余的能量传给另一载流子，使此载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量以声子形式放出。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第五十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五n型p型俄歇复合杂质带Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第五十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.1.4非平衡态下载流子的运动

对非平衡载流子有两种定向运动：●电场作用下的漂移运动；●浓度差引起的扩散运动。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第五十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五一、非平衡载流子的扩散运动和扩散电流

1．非子的扩散运动和一维稳态时的扩散方程

均匀掺杂的N型半导体

非子从一端沿整个表面均匀产生，且只在x方向形成浓度梯度，非子是沿x方向运动。Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第六十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五光照x非平衡载流子的扩散AB0xx+ΔxChapter5ChapterChapterSemiconductor

光照表面非子多，内部少非子自表面向内部扩散第六十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五在x=x处，取截面A，x=x+x处取截面B，两截面垂直于x轴，并且都为单位面积1cm2

扩散流密度Sp(x)：单位时间通过扩散的方式流过垂直的单位截面积的载流子非子浓度梯度第六十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Dp为扩散系数，量纲为cm2/s

在x+x处，扩散流密度为Sp(x+x)

在1秒钟内，在1x体积内的非子数为：

Sp(x)-Sp(x+x)单位时间、单位体积中积累的非子数为：Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第六十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Chapter5ChapterChapterSemiconductor

——扩散定律第六十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五在稳态时，积累的载流子应等于复合掉的载流子Chapter5ChapterChapterSemiconductor

——稳态扩散方程单位时间单位体积被复合掉的非子为：第六十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五平均扩散长度普遍解：第六十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五2．非平衡载流子的扩散电流密度

空穴扩散电流密度电子扩散电流密度Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第六十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五(Jp)扩→(Jn)扩←二、载流子的扩散和漂移运动N型材料,

在x方向方向加光照、电场

(Jp)漂→(Jn)漂→x,EChapter5ChapterChapterSemiconductor

第六十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五1．少子空穴电流

密度非平衡少子扩散电流：+x方向非平衡空穴和平衡空穴形成的漂移电流：+x方向少子电流密度：Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第六十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五2．多子电流密度

非平衡多子形成的扩散电流：

-x方向

平衡多子与非平衡多子的漂移电流：+x方向Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第七十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五多子电流密度：

3．总的电流密度

J=Jp+JnChapter5ChapterChapterSemiconductor

电流密度方程式第七十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五三、爱因斯坦关系非简并情况下载流子扩散系数和迁移率关系迁移率：反映载流子在电场作用下运动的难易程度扩散系数：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第七十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五

考虑一块处于热平衡状态的非均匀的N型半导体，其中施主杂质浓度随x增加而下降，电子浓度为no(x)Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第七十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电子扩散电流密度：漂移电流：平衡时电子的总电流等于0Jn=(Jn)漂+(Jn)扩=0Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第七十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五导带底的能量应为Ec－qV(x)，－qV(x)附加的静电能Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第七十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五Chapter5ChapterChapterSemiconductor

对于空穴：第七十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五室温时：K0T=0.026eVSi中：n=1350cm2/s，

p=500cm2/sChapter5ChapterChapterSemiconductor

第七十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五总电流密度：Chapter5ChapterChapterSemiconductor

第七十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件－整流器。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）.由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做PN结。§5.2PN结第七十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型锗），由不同种导电类型的物质构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N－锗）。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。第八十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.2.1PN结及其能带图§5.2.2PN结电流电压特性§5.2.3PN结电容效应§5.2.4PN结击穿§5.2.5半导体二极管的结构与主要参数主要内容第八十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五一、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，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。§5.2.1PN结及其能带图第八十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五合金法：把一小粒铝放在一块n型单晶硅片上，加热到一定温度，形成铝硅熔融体，然后降温，熔体开始凝固，在硅片上形成一含有高浓度铝的p型硅薄层，它与n型硅衬底交界处即为pn结。第八十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五突变结（a）突变结近似（实线）的窄扩散结（虚线）第八十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，使其趋于均匀的趋势，即扩散。

在n型单晶片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得pn结。

液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从而携带杂质蒸气进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸气分解，在硅片四周形成饱和蒸气压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。第八十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五线性缓变结：（在线性区）（b）线性缓变结近似（实线）的深扩散结（虚线）第八十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五离子注入技术：将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高的能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。特点：（1）低温；（2）可精确控制浓度和结深；（3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；（4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；（5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术；（6）设备昂贵。第八十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五外延工艺：外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。第八十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。二、空间电荷区所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。——平衡pn结第八十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五NEcEFnEDEiEvPEvEiEAEcEFpP，N半导体的能带图三、pn结能带图第九十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五构成PN结的能带图EcEFEiEvE漂移扩散扩散漂移EFn下移EFp上移第九十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0能带相对移动原因是pn结空间电荷区中存在内建电场的结果。随着内建电场的增加，空间电荷区内电势V(x)由n区向p区不断降低。电子的电势能由n区向p区不断升高。P区的能带相对n区上移，而n区能带相对p区下移，直至费米能级相等，达到平衡，说明此时扩散运动电流和漂移运动电流互相抵消。第九十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电流密度方程：费米能级随位置的变化和电流密度的关系平衡状态下，Jn=0,Jp=0,EF常数J一定时，n，p大，EF变化小；n，p小，EF变化大；第九十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五p

n

CE

FE

iE

VE

0yq

Enypy

平衡PN结的能带图空间电荷区又叫势垒区第九十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五四、pn结接触电势差平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差VD称为pn结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为pn结势垒高度。n区p区平衡电子浓度第九十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五VD和pn结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽带有关。T一定，ND，NA↑，VD↑；禁带宽带↑，ni↓，VD↑；硅：VD=0.7V；锗：VD=0.32V第九十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五五、pn结载流子分布第九十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五一、PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思是：

P区加负、N区加正电压。§5.2.2PN结电流电压特性第九十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五－－－－++++RE1、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。P′NPN′施加正偏时，接触电势减小，耗尽区减薄由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。第九十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五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。

PN结加正向电压时的导电情况如图1－7所示。

PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况

第一百页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五正向偏压时

单边突变结的电势分布（a）热平衡，耗尽层宽度为W

（b）加正向电压，耗尽层宽度W’Wb

+

-

V

()Vq-0y

E

qV

W¢

（E）

N

P

W

FE

（a）

能量

（E）

N

P

能量

（）qy0第一百零一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五2、PN结反向偏置_内电场被增强，多子的漂移加强能够形成较大的漂移电流。施加反偏时，接触电势增加，耗尽区变厚由于外加反向偏压的作用使少数载流子被抽取或吸出。PN结电流较小并趋于不变。－－－－++++内电场外电场变厚NP_REP′PNN′第一百零二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五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的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。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。PN结加反向电压时的导电情况如图1－8所示。图1－8PN结加反向电压时的导电情况第一百零三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五单边突变结的电势分布（a）热平衡，耗尽层宽度为W

（b）加正向电压，耗尽层宽度W’﹥Wb

W

FE

CE

（a）

能量

（E）

N

P

（）qy0反向偏压时

第一百零四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五

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。

第一百零五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五二、

理想PN结模型及其电流电压方程小注入条件——注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；突变耗尽层条件——外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的，因此注入的少数载流子在P和N区是纯扩散运动。通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用。波尔兹曼边界条件——在耗尽层两端，载流子分布满足波尔兹曼统计分布。第一百零六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电流电压方程式，肖克莱方程式第一百零七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五正向偏压时

反向偏压时

在正向及反向偏压下，曲线是不对称的，表现出pn结具有单向导电性或整流效应。第一百零八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五RLuiuouiuott二极管半波整流第一百零九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五实际硅pn结的电流电压特性表面效应势垒区中的复合与产生大注入条件串联电阻效应第一百一十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.2.3PN结电容效应一、pn结电容的来源pn结有整流效应，但是它有包含破坏整流效应的因素。这个因素就是pn结的电容。低频下，pn结起很好的整流效应。但是频率很高时，其整流效应变坏，甚至基本上没有整流效应。频率对pn结的整流作用为什么影响？Pn结具有电容特性。第一百一十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五势垒电容CT扩散电容CD二、势垒电容和扩散电容第一百一十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容效应是势垒电容，CT

。Pn结上外加电压的变化，引起电子和空穴在势垒区的存入和取出作用，导致势垒区空间电荷数量随外加电压而变化，这和电容器的充放电作用相似。第一百一十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五扩散电容：由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，就是扩散电容，CD。P+-N正向偏置时，为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。外加电压变化，扩散区内积累的非平衡载流子和与它保持电中性的电荷也随之变化。第一百一十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五CT在正向和反向偏置时均不能忽略。反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容CD可忽略。扩散电容随频率的增加而减小。第一百一十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五——直流偏压下的微分电容第一百一十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五5.2.4PN结击穿实验发现，对pn结施加反向偏压增大到某一数值VBR时，反向电流密度突然开始迅速增大，这一现象称为pn结击穿。VBR称为击穿电压第一百一十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五雪崩击穿隧道击穿热电击穿击穿的根本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加。第一百一十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五一、雪崩击穿反向偏压下，流过pn结的反向电流主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流组成。反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，区内的电子和空穴受强电场的漂移作用，具有很大动能，从而与晶格原子发生碰撞，把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生空穴，形成雪崩式的连锁反应。势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大反向电流，发生pn结击穿，即雪崩击穿。与势垒电场强度和势垒区宽度有关。第一百一十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五二、隧道击穿（齐纳击穿）在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的击穿现象。齐纳提出n区的导带底比p区的价带顶还低。E，△x，A→BP区价带中大量电子隧道穿过势垒到达n区导带，反向电流增大第一百二十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五杂质浓度较低，势垒区宽，雪崩击穿为主；重掺杂下，势垒区窄，隧道击穿为主；对于硅、锗材料的PN结来说，击穿电压﹥7v时为雪崩击穿，击穿电压﹤4v时为隧道击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。第一百二十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五三、热电击穿当pn结上施加反向电压时，流过pn结的反向电流颜引起热损耗。反向电压越大，引起的损耗功率越大，产生大量热量。如果没有良好的散热条件则引起结的温度上升，反复循环下去，使结由于热不稳定性引起击穿，称为热电击穿。第一百二十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五5.2.5半导体二极管的结构与主要参数第一百二十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五一、基本结构在PN结上加上引线和封装管壳，就成为半导体二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。引线外壳线触丝线基片点接触型

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第一百二十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五PN结面接触型

PN结面积大，用于低频大电流整流电路。第一百二十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅平面型往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。二极管的电路符号：PN第一百二十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五二、伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR第一百二十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五二极管的伏安特性曲线第一百二十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五

(1)正向特性：当U＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当0＜U＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压；当U＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。 硅二极管的死区电压Uth=0.7V左右，

锗二极管的死区电压Uth=0.2V左右。实际电路中二极管导通时的正向压降，硅管的Ｕｏｎ约为０.６～０.８V,锗管的Ｕｏｎ约为０.１～０.３V。通常取硅管Ｕon＝0.7V，锗管Ｕon＝0.2V。第一百二十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五(2)反向特性：二极管加反向电压,反向电流数值很小,且基本不变,称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安(ｎΑ)数量级,锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时,反向电流急剧增加,产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。(3)温度特性：二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高１℃,正向压降减小２～２.５ｍV；温度每升高１０℃,反向电流约增大1倍。第一百三十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五三、主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。第一百三十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五3.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。第一百三十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五4.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。第一百三十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五PN结的电流方程：PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：其中Is为反向饱和电流，UT为kt/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，常温下，UT=26mv对于二极管其动态电阻为：第一百三十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用于整流、检波、元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元件。举例说明。四、二极管的应用第一百三十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五例1：如图由RC构成微分电路，当输入电压ui为矩形波时，试画出输出电压uo的波形。(设uc0=U0)CRDRLuiuRuouitouotoUuRto在这里，二极管起削波作用，削去正尖脉冲。第一百三十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五例2：在图中，输入端A的电位UA=+3V,B的电位UB=0V,求输出端F的电位UF=?。电阻R接负电源－12V。解：因为A端电位比B端电位高，所以，DA优先导通。设二极管的正向压降是0.3V，则，UF=2.7V。当DA导通后，DB上加的是反向电压，所以，DB截止。DA起钳位作用。将UF钳制在2.7V。DB起隔离作用第一百三十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五例3在图所示的两个电路中，已知ui=30sinωtV，二极管的正向压降可忽略不计，试分别画出输出电压u0的波形。RDR+-uiu0u0D+-ui+-+-第一百三十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五稳压二极管光敏二极管发光二极管五、特殊二极管第一百三十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五1.稳压二极管结构和工作原理稳压的符号与稳压电路伏安特性与稳压原理主要参数第一百四十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五结构和工作原理稳压二极管是一种用特殊工艺制成的面接触型硅二极管，其特殊之处在于它工作在特性曲线的反向击穿区，正常工作时处于反向击穿状态，并通过制造工艺保证PN结不会被热击穿。所以，在切断电源后，管子能恢复原来的状态。在电路中与适当电阻配合，能起到稳定电压的作用。故称其为稳压管第一百四十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五稳压的符号与稳压电路R是限流电阻RL是负载电阻第一百四十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五伏安特性与稳压电路稳压管的伏安特性曲线的反向击穿特性比普通二极管的要陡些。U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向第一百四十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五主要参数稳定电压UZ——稳压管在正常工作时管子两端的电压。（其数值具有分散性）稳定电流IZ——是指稳压管在正常工作时的参考电流。低于此值稳压效果差。在不超过额定功率的前提下，高于此值稳压效果好，即工作电流越大稳压效果越好。第一百四十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五主要参数电压温度系数αZ——电压温度系数是指稳压管的稳压值受温度变化的影响的系数。特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别.因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。第一百四十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五主要参数动态电阻rZ——动态电阻是指稳压管端电压的变化量与相应电流变化量之比值（也称为稳压管的交流动态电阻）最大允许耗散功率PZM——保证管子安全工作时所允许的最大功率损耗。——动态电阻越小，则稳压性能越好第一百四十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五光敏二极管光敏二极管是利用半导体的光敏特性制成的，当光线辐射于PN结时，它的反向电流随光照强度的增加而增强，所以称为光敏二极管，或光电二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比。光敏二极管可以用来做为光控元件。光敏二极管的符号第一百四十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五第一百四十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五发光二极管发光二极管，顾名思意，通以电流将会发出光来。它的死区电压比普通二极管高，发光强度与正向电流的大小成正比。发光二及管常用来做显示器件。发光二极管的符号发光二极管的伏安特性第一百四十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五第一百五十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五§5.4

晶体三极管三极管的结构三极管的伏安特性—工作原理三极管的主要参数第一百五十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五一、三极管的结构半导体三极管(晶体管)是最重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型都是硅管、合金型主要是锗管。CN型硅P型N型二氧化硅保护膜BE平面型结构N型锗铟球铟球P型P型CEB合金型结构第一百五十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五三极管的结构它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管。发射区集电区发射结集电结NNP基区CBENPP发射区集电区基区发射结集电结CBEBECBEC第一百五十三页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五三极管的结构每一类都分成基区、集电区和发射区，分别引出基极B、发射极E和集电集C。每一类有两个PN结。基区和发射区之间的结称为发射极，基区和集电区之间的结称为集电极。BECBEC集电极发射极基极基极第一百五十四页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五二、三极管的伏安特性—工作原理

NPN型和PNP型晶体管的工作原理类似，仅在使用时电源极性联接不向而已。下面以NPN型晶体管为例来分析讨论。三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路——共发射极电路，共集电极电路和共基极电路电流放大原理三极管的伏安特性第一百五十五页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路共发射极电路——基极和发射极组成输入回路，集电极和发射极组成输出回路。（最常用）共集电极电路——基极和集电极组成输入回路。发射极和集电极组成输出回路（如射极输出器）共基极电路——集电极和基极组成输入回路，发射极和基极组成输出回路。第一百五十六页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电流放大原理如图，对NPN型晶体管加EB和EC两个电源，接成共发射极接法构成两个回路。改变可变电阻RB，则基极电流IB，集电极电沈IC和发射极地电流IE都发生变化。电流方向如图中所示。第一百五十七页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电流放大原理IB(mA)

00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05通过实验及测量结果，得IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列数据)第一百五十八页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电流放大原理这就是晶体管的电流放大作用，IB的微小变化可以引起IC的较大变化(第三列与第四列的电流增量比)。当IB=0(基极开路)时，也很小(约为1微安以下)。IC=ICEO

该值称为集射极穿透电流。第一百五十九页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电流放大原理要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置——具有放大作用的外部条件。第一百六十页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电流放大原理——内部载流子运动规律1、发射区向基区扩散电子发射结处于正向偏置，掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散。2、电子在基区的扩散和复合基区厚度很小，电子在基区继续向集电结扩散。（但有少部分与空穴复合而形成IBEIB）第一百六十一页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五电流放大原理3、集电区收集扩散电子集电结为反向偏置使内电场增强，对从基区扩散进入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电区，形成集电极电流(ICEIC)。放大作用的内部条件：基区很薄且掺杂浓度很低。第一百六十二页，共一百七十六页，编辑于2023年，星期五小结：在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化晶体管放大的外部条件－发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置放大作用的内部条件－基区很薄且掺杂