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1、6.1 半导体材料 6.3 半导体二极管 6.4 二极管电路分析方法 6.5 特殊二极管 6.2 PN结的形成及特性 1 6.1 半导体材料 6.1.1 本征半导体 6.1.2 N型半导体 6.1.3 P型半导体 2 6.1 半导体材料 导电能力介于导体与绝缘体之间 的物质称为半导体。半导体材料 的电学性质对光、热、电、磁等 外界因素的变化十分敏感,在半 导体材料中掺入少量杂质可以控 制这类材料的电导率。正是利用 半导体材料的这些性质,才制造 出功能多样的半导体器件。 3 6.1.1 本征半导体 锗: 1886年2月,德国化学家Winkler向德 国化学协会作了关于发现锗报告,并 将此元素命名
2、为Germanium以纪念其 祖国Germany。 锗在地壳中含量为0.0007%,较金、 银、铂的含量均高,由于资源分散, 增加了冶炼困难,属于稀有元素一类 。 锗单晶可作晶体管,是第一代晶体管 材料。 4 6.1.1 本征半导体 硅: 1823年,瑞典的贝采利乌斯,用氟化 硅或氟硅酸钾与钾共热,得到粉状硅 。 硅在地壳中的含量是除氧外最多的元 素。地壳的主要部分都是由含硅的岩 石层构成的,这些岩石几乎全部是由 硅石和各种硅酸盐组成 。 硅是一种半导体材料,可用于制作半 导体器件和集成电路。 5 6.1.1 本征半导体 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 6 6.1.1 本征半导体 本征半导
3、体化学成分纯净的半导体。它在物理结 构上呈单晶体形态。 在绝对温度零度(即0 K,相当于-273),且无外界激 发时,本征半导体无自由电子,和绝缘体一样不导电 。 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响, 某些共价键中的价电子获得了足够的能量,足以挣脱 共价键的束缚,跃迁到导带,成为自由电子,同时在 共价键中留下相同数量的空穴。 7 6.1.1 本征半导体 空穴共价键中的 空位。 电子空穴对由热 激发而产生的自由电 子和空穴对。 空穴的移动空穴 的运动是靠相邻共价 键中的价电子依次充 填空穴来实现的。 8 6.1.1 本征半导体 本 征 激 发 动画 9 6.1.1 本征半导体 空 穴
4、的 运 动 动画 10 6.1.1 本征半导体 本征半导体特点:电子浓度空穴浓度 缺点:载流子少,导电性差,温度稳定性差! 本征半导体的导电能力弱。如果掺入微量的杂质元素本征半导体的导电能力弱。如果掺入微量的杂质元素 ,导电性能就会发生显著改变。按掺入杂质的性质不,导电性能就会发生显著改变。按掺入杂质的性质不 同,分同,分N N型半导体和型半导体和P P型半导体,统称为杂质半导体。型半导体,统称为杂质半导体。 11 6.1.2 N型半导体 在硅(或锗 )晶体中掺入少量的5价元素,如磷(P), 则硅晶体中某些位置的硅原子被磷原子代替。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
5、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。 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。 12 6.1.2 N型半导体 13 6.1.3 P型半导体 在硅(或锗 )晶体中掺入少量的3价元素,如硼(B)或 铝(Al),则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代 替 。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。
6、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。 14 6.1.3 P型半导体 15 杂质对半导体导电性的影响 小结 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=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3 1 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 16 6.2 PN结的形成及特性 6.2.2 PN结的单向导电性 6.2.3 PN结的电容效应 6.2.4 PN结的反向击穿 6.2.1
7、 PN结的形成 17 6.2.1 PN结的形成 18 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 19 6.2.1 PN结的形成 20 6.2.1 PN结的形成 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。 21 6.2.1 PN结的形成 PN 结 的 形 成 动画 22
8、6.2.2 PN结的单向导电性 如果外加电压使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; PN结具有单向导电性,若外加电压使电流从 P 区流到 N 区, PN结呈低阻性,所以电流大; 反之是高阻性,电流小。 P 区的电位低于 N 区的电位,称为加反向 电压,简称反偏。 23 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。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 6.2.2 PN结的单向导电性 24 6.2.2 PN结的
9、单向导电性 PN 结 加 正 向 电 压 动画 25 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,由于漂移电流本 身就很小,PN结呈现高阻性 。 PN结加反向电压时的导电情况 6.2.2 PN结的单向导电性 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。 26 6.2.2 PN结的单向导电性 PN 结 加 反 向
10、 电 压 动画 27 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。 28 6.2.2 PN结的单向导电性 PN结V-I 特性表达式: 其中 : PN结的伏安特性 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下(T=300K): 29 6.2.3 PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因 素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD 30 6.2.3 PN结的电容效应 (1) 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电 压使PN结上压降发
11、生变化时,离子薄层的厚度也相应地随 之改变,这相当PN结中存储的电荷量也随之变化,犹如电 容的充放电。 势垒电容示意图 31 6.2.3 PN结的电容效应 (2) 扩散电容CD 扩散电容是由多子扩散后,在PN结的另一侧面 积累而形成的。因 PN 结正偏时,由N区扩散到 P 区的电子,与外电源提供的空穴相复合,形成正向 电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结 的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲线。 反之,由P区扩散到N区的空穴,在N区内也形成 类似的浓度梯度分布曲线。 32 6.2.3 PN结的电容效应 扩散电容示意图 当外加正向电压不同时, 扩散电流即外电路电流的 大小也就不同。
12、所以PN结 两侧堆积的多子的浓度梯 度分布也不相同,这就相 当电容的充放电过程。势 垒电容和扩散电容均是非 线性电容。 33 6.2.4 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。 热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆 34 6 . 3 半导体二极管 6.3.1 半导体二极管的结构 6.3.2 二极管的伏安特性 6.3.3 二极管的主要参数 35 6.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二 极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。 (1) 点接触型二极管 点接触型二极管结构示意图 P
13、N结面积小,结 电容小,用于检波和 变频等高频电路。 36 (a)面接触型 (b)集成电路中的平面型 (c)代表符号 (2) 面接触型二极管 PN结面积大,用于 工频大电流整流电路。 (b)面接触型 37 6.3.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 锗二极管2AP15的V-I 特性 硅二极管2CP10的V-I 特性 38 6.3.2 二极管的伏安特性 硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右, 锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。 当0VVth时,正向电流为零,Vth称为 死区电压或开启电压。 当V0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段: 当VVth时,开始出现正向
14、电流,并按指数 规律增长。 39 6.3.2 二极管的伏安特性 当V0时,即处于反向特性区域。反向区也分两个区域: 当VBRV0时,反向电流很小,且 基本不随反向电压的变化而变化,此时的反 向电流也称反向饱和电流IS 。 当VVBR时,反向电流急剧增加, VBR称为反向击穿电压 。 40 6.3.2 二极管的伏安特性 温度对二极管的性能有较大的影响,温度升 高时,反向电流将呈指数规律增加,如硅二极管 温度每增加8,反向电流将约增加一倍;锗二极 管温度每增加12,反向电流大约增加一倍。 另外,温度升高时,二极管的正向压降将减 小,每增加1,正向压降VF(VD)大约减小2mV,即 具有负的温度系数
15、。 41 6.3.2 二极管的伏安特性 温度对二极管伏安特性曲线的影响 42 6.3.3 二极管的主要参数 半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向 击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、 最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数 介绍如下: (1) 最大整流电流IF 二极管长期连续工 作时,允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。 (2) 反向击穿电压VBR 和最大反向工作电压VRM 二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压VBR。 为安全计,在实际 工作时,最大反向工作电压 VRM一般只按反向击穿电压 VBR的一半计算。 43 6.3.3 二极管的主要参数 (4) 正向压降VF (5) 动态电阻rd 在室温下,在规定的反向电压下,一般是最大反向工作 电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA) 级;锗二极管在微安(A)级。 在