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1、第第1 1章章 常用半导体器件常用半导体器件1导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。砷化镓和一些硫化物、氧化物等。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性2半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以的导电机理不同于其
2、它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。1.1.掺杂性掺杂性2.2.热敏性和光敏性热敏性和光敏性3在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与
3、其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构体结构：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。5硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子6共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，
4、所以本征半导体的导电能力很弱。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。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+47二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0 0度（度（T T=0K=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时, ,价电价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以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（即运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0 0
5、，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电自由电子子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴8+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子92.2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移
6、，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。10温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电
7、流由两部分组成： 1. 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。（在本征半导体中（在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现，自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）同时又不断的复合）111.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增
8、加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。12一、一、N N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发子，这个电子几乎不受束缚，很
9、容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。动的带正电的离子。13+4+4+4+4+5+5+4+4多余多余电子电子磷原子磷原子N N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓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。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子
10、多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。14二、二、P P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。的带负电的离子。+4+4+4+4+3+3+4+4空穴空
11、穴硼原子硼原子P P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。15三、杂质半导体的符号三、杂质半导体的符号P P 型半导体型半导体+N N 型半导体型半导体16总总 结结2.N2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，的电子，N N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。3.P3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是
12、多子，电子是少子。1. 1. 本征半导体中受激产生的电子很少。本征半导体中受激产生的电子很少。17一、一、 PN PN 结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型半导型半导体和体和N N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN PN 结。结。1.1.3 PN 结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性18P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。内电场越强，
13、漂移运动内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电越强，而漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。19漂移运动漂移运动P P型半导体型半导体N N 型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。20+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0211.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中
14、内电场阻碍P P区区中的空穴中的空穴. .N N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3.3.P P 区中的电子和区中的电子和 N N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。小结小结22(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电
15、流I I F F正向电流正向电流 二、二、 PN PN 结的单向导电性结的单向导电性23(2) (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N N区，负极接区，负极接P P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R RP PN N 在一定的温度下，在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓由本征激发产生的少子浓度是一定的，故度是一定的，故I IR R基本上与基本上与外加反压的大小无关外加反压的大小无关，所所以称为以称为反向饱和电流反向
16、饱和电流。但。但I IR R与温度有关。与温度有关。 24 PN PN结加正向电压时，具有较大的正结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，向扩散电流，呈现低电阻， PN PN结导通；结导通； PNPN结加反向电压时，具有很小的反结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，向漂移电流，呈现高电阻， PN PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向结具有单向导电性。导电性。251.2 半导体二极管半导体二极管1.2.11.2.1基本结构基本结构PN PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：阳极阳极+阴极阴极-261.2.2 1.2.2 伏安特性伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR271.2.3 1.2.3 主要参数主要参数1. 1. 最大整流电流最
