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1、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
2、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，
3、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
4、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
5、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，
6、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
7、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
8、，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
9、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,
