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1、第一章 半导体基础知识 及二极管电路内容提要 半导体材料的基本物理特性及PN 结原理； 半导体二极管的结构及工作特性； 几种特殊二极管； 二极管基本应用电路及其分析方 法。1.正确理解以下基本概念 2. 半导体导电载流子； 3. PN结及二极管的单向导电性。基本要求2. 熟练掌握二极管的外特性（数学描述）（VA特性曲线及方程）；二极管的电路模型。 3. 熟悉二极管的主要参 数。物质的分类导体(电阻率小于 ) 绝缘体(电阻率大于 ) 半导体（电阻率介于两者之 间）典型的半导体：如硅Si和 锗Ge以及砷化镓GaAs等按照导电能 力的差别， 可以将物质 分为：半导体的独特性质：电阻率可因某些外 界因
2、素的改变而明显变化 掺杂特性 热敏特性 光敏特性注意：决定物质导 电性能的因素？第一节第一节 半导体的基本特性半导体的基本特性现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。简化模型SiGe第一节第一节 半导体的基本特性半导体的基本特性1.1.1 本征半导体 一.结构特点通过一定的工艺过程，可以将半导体制成 晶体。硅晶体的空间排列完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为 本征半导体。在硅和锗晶体中 ，每个原子附近有四 个邻近原子，彼此之 间由价电子联系起来 ，形成共价键，共用 一对价电子。1.1.1 本 征 半 导 体一.结构特点硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+
3、4+4+4+4+4表示除 去价电子 后的原子1.1.1 本 征 半 导 体一.结构特点共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 ，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价 键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子 很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子 的最外层电子是八个，构成 稳定结构。共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。特点：+4+4+4+41.1.1 本 征 半 导 体一.结构特点在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中 没有可以运动的带电粒子（即载流子），它 的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使
4、一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为 自由电子，同时共价键上留下一个空位，称 为空穴。1.1.1 本 征 半 导 体二.导电机理+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子1.1.1 本 征 半 导 体二.导电机理+4+4+4+4空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子 ，即自由电子和空穴。1.1.1 本 征 半 导 体二.导电机理本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。2. 空穴（价电子）移动产生的电流。本征半导体有两种载流子：自由电子和空穴。导电
5、能力取决于载流子的浓度。1.1.1 本 征 半 导 体二.导电机理本征半导体中载流子的浓度：1.1.1 本 征 半 导 体二.导电机理在本征半导体中掺入某些微量的杂 质，就会使半导体的导电性能发生显著 变化。掺入微量的+5价元素（磷P）的半导体。第一节第一节 半导体的基本特性半导体的基本特性1.1.2 杂质半导体一.N型半导体增加载流子的数量 提高导电率 注意：掺杂时保证不破坏原有的晶格结 构。施主原子N型半导体结构示意图1.1.2 杂 质 半 导 体一.N型半导体不能导电N 型半导体中的载流子是什么？ 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓
6、度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数 载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。1.1.2 杂 质 半 导 体一.N型半导体掺入微量的+3价元素（硼B）的半导体P型半导体结构示意图受主原子1.1.2 杂 质 半 导 体二.P型半导体不能导电可以认为空穴带一个单位的正电荷，并 且可以移动。P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。1.1.2 杂 质 半 导 体二.P型半导体小结杂质杂质原子多子N型半导导体+5价施主原子 （正离子）电电子P型半导导体+3价受主原子 （负负离子 ）空穴1.1.2 杂 质 半 导 体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电
7、流。但由于数量的关系，起导电作用的主要 是多子。可近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.2 杂 质 半 导 体三.杂质半导体的性质 在杂质半导体中：多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度 少子的浓度主要取决于温度。存在着自由电子、空穴和杂质离子三 种带电粒子；1.1.2 杂 质 半 导 体三.杂质半导体的性质+-N型半导体的 简化表示法P型半导体的 简化表示法掺杂半导体处于平衡状态时，其载流子 浓度满足如下关系：p0平衡空穴浓度；n0平衡电子浓度;ni本征电子浓度。1.1.2 杂 质 半 导 体半导体杂质的补偿原理1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂 移，如图（A）所示。（A）电场作用下的漂移
8、运动1.1.2 杂 质 半 导 体四.载流子的漂移和扩散运动当无外加电场作用时，半导体中的载流子 做不规则热运动，对外不呈现电特性。2、载流子由浓度高流向浓度低的运动称为扩 散，如图（B）所示。（B）扩散示意图1.1.2 杂 质 半 导 体四.载流子的漂移和扩散运动在同一块本征半导体基片上， 两侧分别掺入施主杂质和受主杂质 制成N型半导体和P型半导体。则 在两半导体的结合面上形成如下物 理过程:第二节第二节 半导体二极管的工作原理及特性半导体二极管的工作原理及特性1.2.1 PN结及其单向导电性 一.PN结的形成一.PN结的形成1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性+-阻挡层(势垒
9、层)：阻挡多 子的扩散运 动，但引起 少子的漂移 运动空间电荷区内建电场扩散+-漂移耗尽层 阻挡层高阻区一.PN结的形成1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性空间电荷区内建电场扩散+-漂移耗尽层 阻挡层高阻区一.PN结的形成1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性多子的扩散运动 形成扩散电流， 并增加空间电荷 区的宽度。 少子的漂移运动 形成漂移电流， 并减小空间电荷 区的宽度。 当两种运动到达 平衡时，空间电 荷区的宽度也达 到稳定。空间电荷区内建电场扩散+-漂移耗尽层 阻挡层高阻区一.PN结的形成1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性动态平衡时交界 面两侧的空间
10、电 荷量、空间电荷 区宽度、内建电 场等参量均为常 数，且与半导体 材料、掺杂浓度 、温度有关. 耗尽层为高阻区 ，空间电荷区以 外的区域为低阻 区.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1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性PN结形成过程的总结接触电位差：阻 挡多子的扩散运 动，又称为“电 位势垒”或“势 垒”势垒区的宽度主要分布在掺杂浓度低 的一侧.1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性接触电位差与势垒宽度空间电荷区内建电场+-PN+-内电场外电场势垒区的
11、 电位差减小 阻挡层内 的合成电场 减小 空间电荷 总量减小 空间电荷 区变窄1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性二.PN结的单向导电性1、PN结加正向电压(正向偏置) P区加正、N区加负电压。PN+-内电场 外电场1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性二.PN结的单向导电性1、PN结加正向电压(正向偏置)正向电流If加正向电压时（导通）扩散电流加 大； 漂移电流基 本不变； 正向电流的 方向为由P 区至N区， 且随外加正 向电压增加 而增加。PN+-内电场外电场势垒区的 电位差增加 阻挡层内 的合成电 场增加 空间电荷 总量增加 空间电 荷区变厚1.2.1 PN 结 及
12、 其 单 向 导 电 性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）P区加负、N区加正电压。PN+-1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）反向电流Is加反向电压时（截止） 内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向 电流很小.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，对温度变化非常敏感。 1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）PN结加正向电压时，呈现低
13、电阻 ，具有较大的正向扩散电流，且正向电 流随正向电压的大小急剧改变；PN结加反向电压时，呈现高电阻 ，具有很小的反向漂移电流，且反向电 流基本不随反向电压的大小变化。由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。二.PN结的单向导电性1.2.1 PN 结 及 其 单 向 导 电 性电路符号第二节第二节 半导体二极管的工作原理及特性半导体二极管的工作原理及特性1.2.2 二极管的结构与类型(a)点接触型 二极管的结构示意图结面积小，结 电容小，用于 检波和变频等 高频电路。一.点接触型二极管1.2.2 二 极 管 的 结 构 与 类 型(b)面接触型PN结面积大， 用于工频大电 流整流电路。二.面
14、接触型二极管1.2.2 二 极 管 的 结 构 与 类 型(c)平面型往往用于集成电 路制造工艺中。PN 结 面积可大可小，用于高 频整流和开关电路中。三.平面型二极管1.2.2 二 极 管 的 结 构 与 类 型温度电压当量。当在室温条件下 T=300K时，约为26mV：外接电压：反向饱和电流1.2.3 二极管的伏安特性第二节第二节 半导体二极管的工作原理及特性半导体二极管的工作原理及特性一.二极管电流方程温度电压当量。当在室温条件下 T=300K时，约为26mV：外接电压：反向饱和电流若为正偏且 ，则有若为反偏且 ，则有1.2.3 二极管的伏安特性第二节第二节 半导体二极管的工作原理及特性
15、半导体二极管的工作原理及特性一.二极管电流方程应了解二极管理想特性与实际特性之 间的区别理想特性实际特性1.2.3 二极管的伏安特性第二节第二节 半导体二极管的工作原理及特性半导体二极管的工作原理及特性一.二极管电流方程 正向工作 区 阈值电压 的含义 反向工作 区 反向击穿 区 反向击穿电 压二. 二极管的伏安特性1.2.3 二 极 管 的 伏 安 特 性V(BR)锗二极管2AP15的V-I 特性硅二极管2CP10的V-I 特性二. 二极管的伏安特性1.2.3 二 极 管 的 伏 安 特 性 材料开启电压电压 Vth导导通电压电压 V反向饱饱和电电流Is 硅(Si)0.5v0.60.8vT，vc(0)=01、二极管与与门vI1vI2D1D2vo0V0V导导通导导通0V（0.7)0V5V导导通截止0V（0.7)5V0V截止导导通0V（0.7)5V5V截止截止5VRL五. 二极管开关电路1.3.3二 极 管 模 拟 电 路1、二极管与与门vI1vI2D1D2vo0V0V导导通导导通0V（0.7)0V5V导导通截止0V（0.7
