模拟电子技术

第三章半导体二极管及其基本电路3.1半导体(semiconductor)的基本知识3.3半导体二极管(Diode)3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结(PNjunction)的形成及特性重点3.1半导体的基本知识

3.1.1

半导体材料

3.1.2

半导体的共价键结构

3.1.3

本征半导体、空穴及其导电作用

3.1.4

杂质半导体3.1半导体的基本知识3.1.1

半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有的硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。金属绝缘体半导体:本征半导体室温下导电能力差通过掺杂杂质半导体具有了导电的能力物体导体绝缘体Si硅原子(14)Ge锗原子(32)原子核价电子2、半导体原子间的排列结构硅晶体的空间排列3.1.2

半导体的共价键结构(CovalentBondStructure)1、半导体的电子结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构:一块半导体，其原子在空间排成规则的晶格结构3.1.3

本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。1、共价键结构2、电子-空穴对：共价键的结构相对稳定。在T=0K，即-273度时相当于绝缘体。当温度升高，共价电子由于热运动挣脱共价键的结构而成为自由电子。同时留下一个空穴。形成电子-空穴对。本征激发（热激发）价电子游离的部分自由电子也可能回到空穴中去

复合电子-空穴对的特征：（1）空穴可在半导体中运动。空穴的移动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。今后的分析，将空穴看成是带正电的载流子。（2）

自由电子带“-”电，空穴带“+”电。但因自由电子数很少，本征半导体的导电能力很弱。（3）半导体中参与导电：自由电子和空穴。（4）载流子的激发与复合。在一定温度下达到一种动态平衡。半导体对外显电中性。本征半导体中空穴与载流子的浓度对温度十分敏感。当温度升高，本征半导体中空穴与载流子的浓度增加。等效

3.1.4

杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

1.N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体中，多数载流子为__________，是由___________________产生。少多数载流子为_______，是由___________产生。自由电子和掺杂本征激发本征激发空穴掺杂形成的自由电子数=正离子数本征激发的自由电子数=空穴数半导体对外呈中性。

2.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。1、正、负离子不参与导电，因为不能移动。2、多数载流子的浓度取决于掺杂杂质的浓度，而少数载流子的浓度取决于温度。杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体3.2PN结的形成及特性

3.2.2

PN结的形成

3.2.3

PN结的单向导电性

3.2.4

PN结的反向击穿

3.2.5

PN结的电容效应

3.2.1

载流子的运动

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

3.杂质对半导体导电性的影响本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3载流子的运动漂移扩散电场浓度差、热运动

3.2.1载流子的运动

3.2.2PN结的形成图2.2.1PN结的形成

在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

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。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区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。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。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动VD电位势垒(barrior)

3.2.3

PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

(1)PN结加正向电压时低电阻大的正向扩散电流PN结的伏安特性

(2)PN结加反向电压时

高电阻很小的反向漂移电流

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结的伏安特性1、PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；结论2、PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。———PN结具有单向导电性。

(3)PN结V-I特性表达式PN结的伏安特性其中：IS——反向饱和电流VT

——温度的电压当量且在常温下（T=300K）在较高反向电压的作用下，PN结的空间电荷区存在一强电场，能破坏共价键而产生电子-空穴对。

3.2.3

PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿——可逆发生了碰撞电离和倍增效应。——不可逆雪崩击穿击穿类型齐纳击穿外电场作用内电场作用

3.2.4

PN结的电容效应

(1)势垒电容CB描述势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应。CB正比于PN结的面积S，反比于耗尽区厚度。势垒电容与结电阻并联，它只有在外加电压改变时才起作用。在PN结反向偏置时作用更明显。研究的必要性(2)扩散电容CD扩散电容示意图C为CB与CD的总效果。PN结加正向电压，扩散作用增强，从一方向另一方注入的少数载流子增多，使导体的电中性被破坏。为维持半导体的电中性，