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第三章 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.2 PN 结的形成及特性,3.3 二极管,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,半导体的特性、PN结的形成及特性,主要内容 什么是半导体? 本征半导体 杂质半导体 P型半导体 N型半导体 PN结的形成及特性 目的与要求 了解本征半导体的结构和特征 理解杂质半导体的结构和特征 牢固掌握P型和N型半导体的特点 理解PN结的形成机理,掌握其单向导电性 重点:PN结的单向导电性 难点:PN结的形成机理,半导体的导电性能由其原子结构决定的。,一、什么是半导体?,导体:电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,硅原子结构,(a)硅的原子结构图,最外层电子称价电子,锗原子也是 4 价元素。,4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的 正离子和周围 4个价电子表示。,(b)简化模型,一、什么是半导体?,二、本征半导体,本征半导体:完全纯净的(9个9)、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。单晶体中的共价键结构,共价键,价电子,当温度 T = 0 K 时,本征半导体不导电,如同绝缘体。,二、本征半导体,本征激发,自由电子,空穴,若温度升高,将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子,在原来的共价键中留下一个空位空穴。,本征半导体具有微弱的导电能力,且导电能力与温度有关。,空穴可看成带正电的载流子,(热激发),二、本征半导体,自由电子-空穴对:本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现的。 两种载流子 自由电子 空穴 由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下,产生与复合运动会达到平衡,载流子的浓度就一定了。 载流子的浓度与温度密切相关:随着温度的升高,基本按指数规律增加。,三、杂质半导体,P 型半导体 N 型半导体,1、N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素,如磷、锑、砷等,即构成 N 型半导体。 掺入 杂质后,原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子只受自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。,1、N 型半导体,施主原子 N型半导体也称为电子型半导体 多数载流子电子 少数载流子空穴 电子浓度空穴浓度,1、N 型半导体,思考:空穴比未加杂质时的数目多了还是少了?为什么?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。,在T=300K 室温下: 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3; 本征硅的电子和空穴浓度: n=p=1.41010/cm3; 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3。 该三个浓度依次相差6个数量级。,2、P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素,如硼、镓、铟等,即构成 P 型半导体。 P 型半导体的晶体结构,2、 P 型半导体,P 型半导体的特点 空穴浓度远大于电子浓度,即 p n 多数载流子空穴 少数载流子电子,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、杂质半导体说明,(a) N 型半导体,(b) P 型半导体,杂质半导体的导电能力大大改善,且其导电能力由掺杂质浓度决定。掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决定少数载流子的浓度。杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体的表示方法:,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,改善导电性能? 为什么半导体器件的温度稳定性差?是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素?,问 题,四、PN 结的形成及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P 型半导体,另一侧掺杂成为N 型半导体,两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层,称为PN 结。,图 1.2.1 PN 结的形成,1、PN 结中载流子的运动,耗尽层, 扩散运动, 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结,耗尽层。, 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒; 内电场;内电场阻止多子的扩散 阻挡层。, 漂移运动, 内电场有利于少子运动漂移。,1、PN 结中载流子的运动, 少子的运动与多子运动方向相反,1、PN 结中载流子的运动,扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小; 随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加; 当扩散电流与漂移电流相等时,PN 结总的电流等于零,空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。 空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米; 电压壁垒 UD:硅材料约为(0.6 0.8) V, 锗材料约为(0.2 0.3) V。,2、PN 的单向导电性,PN 结外加正向电压时,回路中将产生一个较大的正向电流, PN 结处于导通状态; PN 结外加反向电压时,回路中反向电流非常小,几乎等于零, PN 结处于截止状态。,正向电压(正向接法、正向偏置、正偏) 空间电荷区变窄,有利于扩散运动,电路中有较大的正向电流 在 PN 结加上一个很小的正向电压,即可得到较大的正向电流,为防止电流过大,可接入电阻 R。,PN 结加正向电压,PN 结加反向电压,外电场与内电场的方向一致,增强了内电场的作用,使空间电荷区变宽; 不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大于扩散电流,产生反向电流I S; 由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小; 反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感,随着温度升高, IS 将急剧增大。,当PN 结正向偏置时,回路中将产生一个较大的正向电流, PN 结处于 导通状态;当 PN 结反向偏置时,回路中反向电流非常小,几乎等于零, PN 结处于截止状态。结论:PN 结具有单向导电性。,2、PN 的单向导电性,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。,热击穿不可逆,3、PN 的反向击穿,扩散电容CD,4、PN 结的电容效应,势垒电容CB,结电容Cj Cj=CD+CB,结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性!,课堂练习,一、判断 (1)在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素,可将其改型为P型半导体。( ) (2)因为N型半导体的多子是自由电子,所以它带负电。( ) (3)PN结在无光照、无外加电压时,结电流为零。( ) 二、选择 (1)PN结加正向电压时,空间电荷区将 。A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 (2)稳压管的稳压区是其工作在 。A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿,
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