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1、28-3 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3.5 特殊二极管3.6 SPIGE仿真128-典型的半导体材料： 元素硅（Si）、锗（Ge）化合物砷化镓（GaAs）掺杂元素 硼（B）、磷（P）根据物体导电能力来划分：3.1.1 半导体材料半导体半导体导体 绝缘体3.1 半导体的基本知识228-14原子核电子价电子硅的原子结构示意图：硅的原子序数是：14锗的原子序数是：32半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子形成有序的排列，邻近原子之间由共价键连接。3.1.2 半导体的共价键结构3.1 半导体的
2、基本知识328-晶体结构的说明半导体材料的原子形成有序的排列，邻近原子之间由共价键连接，所以半导体是共价晶体。半导体器件必须用单晶制造（晶体管）。原子结构排列是否有序晶体与非晶体整块晶体的晶格取向是否一致单晶与多晶3.1.2 半导体的共价键结构3.1 半导体的基本知识428-半导体硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构半导体的二维结构半导体的三维结构3.1.2 半导体的共价键结构3.1 半导体的基本知识528-自由电子和空穴1. 本征半导体2.本征半导体的导电机制：化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈 单晶体形态。须在单晶炉中提炼得到。热激发或光照使价电子获得挣脱共价键束缚的能量，成为自由电子，
3、同时共价键中留下一个空位-空穴。在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现电子空穴对。自由电子带负电,空穴带正电。3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用3.1 半导体的基本知识628-由于热激发而产 生的自由电子自由电子移动后 而留下的空穴本征激发空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用3.1 半导体的基本知识728-空穴的相对移动相邻共价键中受束缚的价电子依次填充空穴，产生空穴的相对移动。3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用3.1 半导体的基本知识828-（2）同时也使相邻共价键中受束缚的价电子依次 填充空穴，产生空穴的定向移动效果而导电形成空
4、穴电流。（1）外电场使自由电子定向移动形成电子电流本征半导体外加电场形成电流的情况（3）电子电流和空穴电流的方向是相同的。-+空穴相当于顺着电场方向运动，自由电子逆着电场方向运动，但形成电流的方向一样。-+-+3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用3.1 半导体的基本知识928-3.1.4 杂质半导体在本征半导体中人为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。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。在提炼单晶的过程中一起完成。掺入的杂质主要是：三价元素硼(B)或五价元素 磷(P)。掺杂的目的：是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性 能。3.1 半导
5、体的基本知识根据掺入杂质的不同，半导体分为：N型半导体：P型半导体：掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。1028-1.P型半导体在半导体硅（锗）的单晶中掺入微量三价元素硼。形成：硼的原子结构： +5注意：1. 掺入的杂质原子是微量的；2. 在硅晶体中的某些位置上，硅原子由杂质原子代替；3.1.5 杂质半导体载流子3由杂质原子 提供的空穴空位很容易俘获 邻近四价原子的 价电子，即在邻 近产生一个空 穴，空穴可以参 与导电。因硼原子在 硅晶体中，能接 受电子，故称硼 原子为受主杂质 或P型杂质。Positive空位俘获电子后,使杂质原子成为 负离子。负离子 束缚于晶
6、格中， 不参与导电。结论： 掺杂后 P 型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度和热激发产生空穴浓度之和。 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，它仍由热激发 形成。载流子：参与导电的自由电子或空穴。3.1 半导体的基本知识1128-P型半导体平面简化图因提供一个空穴而本身带一 个单位负电荷的杂质硼离子由杂质原子 提供的空穴由本征半导体激发而 形成的电子空穴对- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -共有4对电子空 穴对；参杂了 40个硼原子。p=n+NA1.P型半导体3.1.5 杂
7、质半导体载流子3.1 半导体的基本知识1228-2. N型半导体在半导体硅（或锗）的单晶中掺入微量五价元素磷。形成：磷的原子结构：+15注意：1.掺入的杂质原子是微量的；2.在硅晶体中的某些位置上，硅原子由杂质原子代替；5多余价电子成为自由电 子，可以参与导电。提供自由电子后 的五价杂质原子 因带正电荷而成 为正离子，因此 五价杂质原子称 为施主杂质。正 离子束缚于晶格 中,不参与导电。结论： 掺杂后 N 型半导体中的自由电子的浓度等于掺杂浓度和热激发产生自由电子浓度之和。 在 N 型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由掺杂形成；空穴是少数载流子，它仍由热激发形成。3.1 半导体的基本知识3
8、.1.5 杂质半导体载流子1328-N型半导体平面简化图+因提供一个价电子而本身带一 个单位正电荷的杂质磷离子由杂质原子提 供的自由电子由本征半导体激发而 形成的电子空穴对共有4对电子 空穴对；参杂 了32个磷原子n =p+ND2. N型半导体3.1 半导体的基本知识3.1.5 杂质半导体载流子1428-3.杂质对半导体导电性的影响掺入杂 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/cm32本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 43掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3T
9、=0 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p 0/cm313.1 半导体的基本知识3.1.5 杂质半导体载流子1528- 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 施主杂质、受主杂质3.1 半导体的基本知识小 结1628-3.2 PN结的形成及特性3.2.1 载流子的漂移与扩散 1.漂移(漂移运动)半导体中的载流子在外加电场作用下而产生的运动称为漂移运动。对于空穴而言，其运动方向和电场方向相同，而自由电子则逆着电场的方向移动。1.扩散(扩散运动 )在半导体中，由于自由电子或空穴的浓度存在差异，而使载流子由高浓度区域向低浓度区域运动，这种运动
10、称为扩散运动1728-半导体硅参杂3价元素硼参杂5价元素磷P型半导体N型半导体（1）两边的浓度差引起载流子的扩散运动,P区的多数载流子空 穴向N区扩散，扩散到N区和电子相复合掉，同样N区的多数载流 子电子向P区扩散，扩散到P区和空穴相复合掉， 。（2）扩散运动的结果：在交界面处只留下了不能移动的正负离 子，形成内电场，该内电场：阻挡扩散运动，促使漂移运动。内电场（3）扩散和漂移达到动态平衡：PN结（空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层）3.2 PN结的形成及特性3.2.2 PN结形成1828-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
11、态平衡。多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区在P型半导体和N型半导体的结合面处，离子薄层 形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区内,由于缺少载流子,所以也称耗尽层。3.2 PN结的形成及特性3.2.2 PN结形成 小结1928-3.2.3 PN结的单向导电特性根据外加电压于PN结上的极性不同，有两种情况：当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。 1. PN结外加正向偏置电压（正偏）：P 区接电源正极，或使 P 区的电位高于N 区。ER 存在两个电场：内电场和外电场 内电场外电场外电场和内电场方向相反，外电场使内电场削弱： 阻挡
12、层变窄即空间电荷区变薄 动态平衡被破坏，多子的扩散加强，少子的漂移减弱从电源正极有流入P 区的正向大的电流，PN结导通。I3.2 PN结的形成及特性2028-N 区接电源正极，或使得 N 区的电位高于 P 区 ER外电场和内电场方向相同,外电场使内电场加强：内电场外电场 阻挡层变宽即空间电荷区变厚动态平衡被破坏,多子的扩散被削弱,少子的漂移得到加强。If从电源正极有流入N 区的很小的反向电流，PN结截止。由于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。 3.2.3 PN结的单向导电特性3.2 P
13、N结的形成及特性2. PN结外加反向偏置电压（反偏）：2128-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结导通；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3.2.3 PN结的单向导电特性 小结3.2 PN结的形成及特性2228-3.PN结V-I特性的表达式IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量常温下（T=300K）vDPN结外加电压伏安特性：加到PN结两端的电压与通过它的电流之间 的关系特性。 表达式：3.2.3 PN结的单向导电特性 3.2 PN结的形成及特性2328-3.2.4 PN结的反向击穿特性当PN
14、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。iDOVBR uD热击穿不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿可逆击穿的物理本质（1）雪崩击穿：碰撞电离（2）齐纳击穿：场激发（3）热击穿： PN结过热强电场将阻挡层内中性原子的价电子直接变为自由电子功率损耗 PN结温升高本征激发加剧反向电流更大连锁反应反向电压增加 少子漂移加快 动能增加 碰撞电离连锁反应3.2 PN结的形成及特性2428-3.2.5 PN结的电容效应电容是电荷在两个极板间的积累效应。PN结的电容效应势垒电容CB扩散电容CD1. 势垒电容CB ：当PN 结两端的电压发生变化时，就会引起积累在PN结的空间电
15、荷的改变，从而显示出PN结的电容效应。外加电压变化势垒层宽度变化积累在势垒层的电荷变化。势垒电容只有在外加电压改变时才显示出来。而且外加电压的频率越高，充放电次数越多，势垒电容的作用越显著。正偏和反偏时都有CB。哪一个更为重要？问题：3.2 PN结的形成及特性2528-2. 扩散电容CD：当PN结外加正向电压时 ,载流子向对方区域扩散，从而显示出PN结的电容效应。P(N)区载流子浓度变化外加正向电压变化正偏时才存在CD正向电流越大， CD越大正偏和反偏时都有CD。哪一个更为重要？问题：3.2.5 PN结的电容效应3.2 PN结的形成及特性2628-在低频时： PN结呈现单向导电特性，结电容可忽略不计。在高频时：PN结单向导电特性受到影响
