Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html第二章 半导体二极管 及其基本电路Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html2.1 半导体的基本知识物质导电: 导体、绝缘体和半导体。半导体: 电阻率为10-3109 cm。常见半导体:硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs等。1 本征半导体及其导电性本征半导体：纯净的半导体。纯度99.9999999%，常称为“九个9”。单晶体形态例如：“单晶硅”。Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html(1）本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素。每个原子的四个价 电子互相形成共价键, 为它们所束缚，形 成空间排列有序的晶体, 见图2.01。图2.01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图(c)Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html（2）电子空穴对图2.02 本征激发和复合的过程（动画2-1） 电子空穴对: 热、光激发产生的自由电子和空穴对。 复合: 游离的自由电子回补空穴。 动态平衡：温度一定本征激发和复合达到平衡。Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html(3)两种载流子1）电子：价电子。 定向运动形成了电子 流，带负电；2）空穴：价电子离 开后所留下的空位。 它的运动方向与电子 流相反，带正电。（动画2-2）图2.03 空穴在晶格中的移动Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html2 杂质半导体杂质半导体：本征半导体中掺入某些微量 元素杂质，所形成的半导体。两种杂质半导体： N型半导体P型半导体杂质：一般是三价或五价元素（硼，磷）。 掺杂目的：改变半导体的导电性能。Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlN型半导体：电子型半导体。(1）N型半导体N型半导体：本征半导体中掺入五价元素磷形成。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。五价杂质原子，因提供自由电子成为带正电荷的 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。图2.04。Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html(2) P型半导体P型半导体：本征半导体中掺入三价元素硼形成。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 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。如图2.05所示。P型半导体：空穴型半导体Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html2.1.3 杂质对半导体导电性的影响掺杂质对半导体导电性的影响：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结论：百万分之一的掺杂，导电性能提高百万倍！Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html将N型半导体 和P型半导体合在一起。2.2 PN结的形成及特性（动画2-3）图2.06 PN结的形成过程1、PN结的形成Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html将N型半导体 和P型半导体合在一起。2.2 PN结的形成及特性（动画2-3）图2.06 PN结的形成过程1、PN结的形成Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 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。交界面形成空间电荷区PN结。E内Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html2 PN结的导电特性(1) PN结正向特性图2.07 PN结加正向电压 时的导电情况及特性（动画2-4）PN结的正向伏安特性正向导通Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html(2) PN结反向导电特性 图 2.08 PN结加反向电压时的 导电情况及特性（动画2-5）反向截止Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlP区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏，PN结导电； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电 压，简称反偏，PN结不导电。结论：PN结具有单向导电性!（3）PN结的导电特性Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html3 PN结的电容效应(1) 势垒电容CB它由空间电荷区的离子薄层形成。当PN结上 压降变化时，该薄层的厚度也随之改变，这相当于 PN结中存储的电荷量在变，犹如电容的充放电。图 2.09 势垒电容示意图Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.html(2) 扩散电容CDCD是由多子扩散后，在结附近形成的多子浓度梯度分布而形成的，浓度梯度的变化，相当与电容的充放电。图 2.10 扩散电容示意图+-Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/www.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlwww.qcxy.hb.cn/dxx/Index.htmlCd(3) 电容效应对高频信号，PN结的单向导电性 受到影响。CdCDCB （几个十几个pf）Department of Electronics and Information Science Department of Electronics and Information Science http:/http:/