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1、第二章第二章 PN结结二极管及其应用二极管及其应用 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 1.3 二极管应用电路二极管应用电路 电子线路电子线路 1 1 半导体基础知识半导体基础知识 一、本征半导体一、本征半导体 二、杂质半导体二、杂质半导体 三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性 四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应 电子线路电子线路 一、一、本征半导体本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。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。本征半导体是纯净的晶
2、体结构的半导体。 1 1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、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。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，原子的最外层电子受原子绝缘体惰性气体、橡胶等，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。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（半导体硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe），均为四价元素，它们），均为四价元素，它们 原子的最外层电子
3、受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。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。 无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构 电子线路电子线路 2 2、本征半导体的结构、本征半导体的结构 由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 共价键共价键 动态平衡动态平衡 电子线路电子线路 在一定温度下，激发和复合会达到一种动态平衡，单位在一
4、定温度下，激发和复合会达到一种动态平衡，单位 体积内的两种载流子的数量就不再增长。体积内的两种载流子的数量就不再增长。 3 22 0 Eg KT ii npAT e 绝对温度绝对温度 波尔兹曼常数波尔兹曼常数 带隙能量带隙能量 与半导体材料相关参数与半导体材料相关参数 2 2、什么是热平衡状态？、什么是热平衡状态？ 电子线路电子线路 两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故目很少，故导电性很差导电性很差。 为什么要将半导体变成导电性很
5、差的本征半导体？ 3 3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载流子载流子。 温度敏感：温度敏感：温度升高，热运动温度升高，热运动 加剧，载流子浓度增大，导电加剧，载流子浓度增大，导电 性增强。性增强。 热力学温度热力学温度0K0K时时不导电不导电。 电子线路电子线路 1. N型半导体 5 磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多，多流子导电。掺入杂质越多，多 子浓度越高，导电性越强，实子浓度越高，导电性越强，实 现导电性可控。现导电性可控。 多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂
6、质时的数目多 了？少了？为什么？了？少了？为什么？ 二、杂质半导体二、杂质半导体 电子线路电子线路 2. P2. P型半导体型半导体 3 硼（硼（B） 多数载流子多数载流子 P P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化在杂质半导体中，温度变化 时，载流子的数目变化吗？少子时，载流子的数目变化吗？少子 与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子 与多子浓度的变化相同吗？与多子浓度的变化相同吗？ 电子线路电子线路 小结小结 1 1. . 掺入杂质浓度决定了多子浓度；
7、温度决定了少子的浓度掺入杂质浓度决定了多子浓度；温度决定了少子的浓度。 3. 3. 杂质半导体总体上保持电中性，表示方法如下图所示。杂质半导体总体上保持电中性，表示方法如下图所示。 2 2. . 杂质半导体杂质半导体多子的数目多子的数目要远远高于本征半导体要远远高于本征半导体，因而因而 其导电能力大大改善其导电能力大大改善。-且温度不敏感且温度不敏感！ ( (a) )N 型半导体型半导体 ( (b) ) P 型半导体型半导体 电子线路电子线路 三、三、PN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性 扩散运动扩散运动 P区空穴区空穴 浓度远高浓度远高 于于N区。区。 N区自由电区自由电 子浓度
8、远高子浓度远高 于于P区。区。 N型半导体型半导体 PPN PN结结 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有。物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有。 电子线路电子线路 1 1、PN PN 结结的形成的形成 内电场内电场漂移运动。漂移运动。 扩散和漂移扩散和漂移动态平衡动态平衡PN结。结。 漂移运动漂移运动 多子扩散运动多子扩散运动空间电荷区空间电荷区产生内电场产生内电场 FR II动态平衡条件： PNPN结是电中性的。结是电中性的。 扩散运动使靠近扩散运动使靠近 接触面接触面P区的空穴浓区的空穴浓 度降低、靠近接触面度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓
9、度区的自由电子浓度 降低，产生内电场。降低，产生内电场。 电子线路电子线路 上节回顾：半导体与PN结 半导体半导体本征半导体本征半导体 PNPN结结 掺杂半导体掺杂半导体 掺杂掺杂 4 4 价价 元元 素素 晶晶 体体 结结 构构 导电导电 性能性能 弱弱 提纯提纯结合结合 本本 征征 复复 合合 本本 征征 激激 发发 P P 型型 成对载流子成对载流子 自由电子、空穴自由电子、空穴 导电性能差导电性能差 温度敏感温度敏感 N N 型型 多子与少子多子与少子 自由电子、空穴自由电子、空穴 控制控制载流子载流子 导电率人控导电率人控 导电性提高导电性提高 温度不敏感温度不敏感 扩散扩散 多子多
10、子 运动运动 空间电荷区 阻挡层 耗尽层 漂移漂移 少子少子 运动运动 浓度差浓度差 导电性？导电性？ 内电场内电场 电子线路电子线路 PNPN结加结加正向电压导通正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，耗尽层变窄，扩散运动加剧， 由于外电源的作用，形成扩散电由于外电源的作用，形成扩散电 流，流，PNPN结处于结处于导通导通状态。状态。 PNPN结加结加反向电压截止反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有耗尽层变宽，阻止扩散运动，有 利于漂移运动，形成漂移电流。由于利于漂移运动，形成漂移电流。由于 电流很小，故可近似认为其电流很小，故可近似认为其截止截止。 必要吗？必要吗？ 2 2、PN
11、 PN 结的结的单向导电性单向导电性* * 电子线路电子线路 当当 PNPN 结正向偏臵时结正向偏臵时，回路中将产生一个较大的回路中将产生一个较大的 正向电流正向电流， PNPN 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当 PNPN 结反向偏臵时结反向偏臵时，回路中反向电流非常小回路中反向电流非常小， 几乎等于零几乎等于零， PNPN 结处于结处于截止状态截止状态。 综上所述： 可见，可见， PN PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。 2 2、PN PN 结的结的单向导电性单向导电性 电子线路电子线路 思 考 PN PNPN结耗尽层物理位臵是不是一定沿交界面中心线对称？结耗尽层物理位臵是不是一
12、定沿交界面中心线对称？ 电子线路电子线路 5 5、PN PN 结的结的电容效应电容效应 当当PNPN上的电压发生变化时，上的电压发生变化时，PN PN 结中储存的电荷量将随之发生变结中储存的电荷量将随之发生变 化，使化，使PNPN结具有结具有电容效应电容效应。势垒电容势垒电容 扩散电容扩散电容 1. 势垒电容Cb：由 PN 结的空间电荷区变化形成的。 (a) PN (a) PN 结加正向电压结加正向电压 （b) PN b) PN 结加反向电压结加反向电压 N 空间空间 电荷区电荷区 P V R I + U N 空间空间 电荷区电荷区 P R I + U V 电子线路电子线路 势垒电容势垒电容的
13、大小可用下式表示：的大小可用下式表示： l S U Q C d d b 由于由于 PNPN 结结 宽度宽度 l 随外加电压随外加电压 u u而变化而变化，因此因此势垒电容势垒电容C Cb b不是一不是一 个常数个常数。其其C Cb b= =f f( (U)U)曲线如图示曲线如图示。 ：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数； S S：结面积；：结面积； l ：耗尽层宽度：耗尽层宽度。 O u Cb 5 5、PN PN 结的结的势垒电容势垒电容 变容 二极管 电子线路电子线路 5 5. . 扩散电容扩散电容C Cd d Q 扩散浓度梯度变化-多子在扩散过程中积累而引起的。 x = 0
14、处为处为 P 与与 耗耗 尽层的交界处尽层的交界处 正偏正偏，P P 区电子浓度区电子浓度n np p( ( N N 区空穴浓区空穴浓 度度p pn n) )分布曲线如图示分布曲线如图示。 当电压加大当电压加大，n np p( (p pn n) )会升高会升高，反之浓度反之浓度 会降低会降低。 正向电压变化正向电压变化，变化载流子积累电荷变化载流子积累电荷 量发生变化量发生变化，相当于电容器充电和放电相当于电容器充电和放电 过程过程 扩散电容效应扩散电容效应。 当加反向电压时当加反向电压时，扩散运动被削弱扩散运动被削弱， 扩散电容的作用可忽略扩散电容的作用可忽略。 O x nP Q 1 2 Q
15、 Q PN PN 结结 电子线路电子线路 综述综述 PN PN 结总的结电容结总的结电容C Cj j： ：dbj CCC 正偏，正偏，结电容较大，主要决定于扩散电容结电容较大，主要决定于扩散电容，即，即C Cj j C Cd d； 反偏时，反偏时，结电容较小，主要决定于势垒电容结电容较小，主要决定于势垒电容，即即C Cj j C Cb b C Cb b 和 和C Cd d很小，常几很小，常几pFpF 几十几十pFpF， 结面积大达几百结面积大达几百pFpF。 结电容不是常量！结电容不是常量！在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。 PNPN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路： 势垒和扩散电势垒和扩散电 容的综合效应容的综合效应 rd 电子线路电子线路 问题问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料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，又将其掺制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺 杂，改善导电性能？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？还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？ 2 2 半导体二极管半导体二极管 一、二极管的组成一、二极管
