1马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology模拟电子技术基础模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic Technology中国矿业大学中国矿业大学 马草原马草原马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology第三章 半导体二极管及其基本电路 3.1 半导体基本知识 3.2 PN结 3.4 二极管基本电路及分析方法 3.5 特殊二极管 3.3 半导体二极管马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology3.1 半导体基本知识半导体 ： 现代电子中非常重要的组成部分3.1.1 半导体材料3.1.2 半导体的共价键结构3.1.3 本征半导体及其导电作用3.1.4 杂质半导体3.1.5 名词半导体器件特点 ：体积小 、 重量轻 、 使用寿命长 、 输入功率小 、 功率转换效率高 。马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology按电阻率不同 ， 物质分为导体 、 半导体和绝缘体按电阻率不同 ， 物质分为导体 、 半导体和绝缘体1、 半导体特性、 半导体特性（ 1） 热敏性） 热敏性（ 3） 掺杂特性） 掺杂特性（ 2） 光敏性） 光敏性2、 为什么有三种特性 ？、 为什么有三种特性 ？特殊的导电结构特殊的导电结构常见半导体材料 ：常见半导体材料 ： Si、 Gee等元素半导体 ， 应用广等元素半导体 ， 应用广GaAs等化合物半导体等化合物半导体硅单质 硅芯片3.1.1 半导体材料马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 。本征半导体是 纯净的晶体结构的半导体 。问题 ： 什么是半导体 ？ 什么是本征半导体 ？半导体有哪些 “特性 ”？ 为什么 ？导体 铁 、 铝 、 铜等金属元素等低价元素 ， 其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动 ， 形成电流 。绝缘体 惰性气体 、 橡胶等 ， 其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强 ， 只有在外电场强到一定程度时才可能导电 。半导体 硅 （ Si）、 锗 （ Ge）， 均为四价元素 ， 它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间 。3.1.2 半导体共价键结构马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology简化模型简化模型最外层上的电子 ， 决定了最外层上的电子 ， 决定了物质的化学特性和导电性 ；物质的化学特性和导电性 ；Si硅原子Ge锗原子1、 Si、 Ge的原子结构价电子 ：价电子 ：惯性核惯性核3.1.2 半导体共价键结构2马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology2、 共价键硅和锗的晶体结构共价键共用电子对+4 +4+4 +4+4表示惯性核3.1.2 半导体共价键结构马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology+4 +4+4 +4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。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，常温下束缚电子很难脱离共价键的束缚。2、 共价键问题 ： 束缚电子能获得自由吗 ？光敏 、 热敏 、 掺杂特性金刚石晶体3.1.2 半导体共价键结构马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology本征半导体 ： 结构完整 ， 完全纯净的半导体载流子 ：载流子 ：能自由运动的带电粒子能自由运动的带电粒子本征半导体本征半导体 自由电子自由电子加热加热或光照或光照 空穴空穴1、 载流子的产生空穴 ： 共价键中的空位空穴 ： 共价键中的空位3.1.3 本征半导体马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology3.1.3 本征半导体及其导电作用本征半导体及其导电作用2、 本征半导体特点、 本征半导体特点（ 1） T升高升高 n升升 p升升（ 2） n = p3、 载流子的运动、 载流子的运动无电场 ：无电场 ：无规则运动无规则运动有电场 ：有电场 ：载流子定向运动载流子定向运动3.1.3 本征半导体马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology本征半导体的结构由于热运动 ， 具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置 ， 称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失 ， 称为复合 。共价键一定温度下 ， 自由电子与空穴对的浓度一定 ； 温度升高 ， 热运动加剧 ， 挣脱共价键的电子增多 ， 自由电子与空穴对的浓度加大 。3.1.3 本征半导体马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology两种载流子外加电场时 ， 带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电 ，且运动方向相反 。 由于载流子数目很少 ， 故导电性很差 。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体 ？本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子 。温度升高 ， 热运动加剧 ， 载流子浓度增大 ， 导电性增强 。热力学温度 0K时不导电 。3.1.3 本征半导体3马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 ，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 。可使半导体的导电性发生显著变化 。N型半导体型半导体 掺入五价杂质元素 （ 如磷 ）掺入五价杂质元素 （ 如磷 ）P型半导体型半导体 掺入三价杂质元素 （ 如硼 ）掺入三价杂质元素 （ 如硼 ）掺入的杂质主要是三价或五价元素 。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掺入杂质的本征半导体称为 杂质半导体杂质半导体 。3.1.4 杂质半导体马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology1. N1. 型半导体型半导体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 。在 N型半导体中 自由 电子是多数载流子 ， 它主要由杂质原子提供 ； 空穴是少数载流子 ,由热激发形成 。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 。多余电子硅原子SiP SiSi五价杂质原子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硅(锗) +磷N型半导体3.1.4 杂质半导体马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology1. N型半导体5磷 （ P）杂质半导体主要靠多数载流子导电 。 掺入杂质越多 ， 多子浓度越高 ， 导电性越强 ， 实现导电性可控 。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了 ？ 少了 ？ 为什么 ？3.1.4 杂质半导体马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology2.P型半导体型半导体在 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 。因缺少一个价电子而在共价键中留下一个 空穴 。空穴SiSiSiB硅原子三价杂质原子在与硅原子形成共价键硅(锗) +硼P型半导体3.1.4 杂质半导体马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology2. P型半导体3硼 （ B）多数载流子P型半导体主要靠空穴导电 ，掺入杂质越多 ， 空穴浓度越高 ，导电性越强 ，在杂质半导体中 ， 温度变化时 ， 载流子的数目变化吗 ？ 少子与多子变化的数目相同吗 ？ 少子与多子浓度的变化相同吗 ？3.1.4 杂质半导体马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology杂质半导体的示意表示法+3.1.4 杂质半导体P型半导体 N型半导体4马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma, Caoyuan of China University of Mining and Technology1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与（ a. 掺杂浓度 、掺杂浓度 、 b.温度 ） 有关 。温度 ） 有关 。2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与（ a. 掺杂浓度 、掺杂浓度 、 b.温度 ） 有关 。温度 ） 有关 。3. 当温度升高时 ， 少子的数量当温度升高时 ， 少子的数量（ a. 减少 、减少 、 b. 不变 、不变 、 c. 增多 ）。增多 ）。abc4. 在外加电压的作用下 ，在外加电压的作用下 ， P型半导体中的电流型半导体中的电流主要是主要是 ， N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。（ a.电子电流 、电子电流 、 b.空穴电流 ）空穴电流 ）b a清华大学 华成英hchyatsinghua.edu.cn马草原mcycumt126.comCopyright by Dr. Ma,Caoyuan of China University of Mining and Technology谢谢大家 ！Key Point本征半导体 、 杂质半导体 自由电子 、 空穴N型半导体 、 P型半导体多数载流子 、 少数载流子