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1、第三章二极管及其根本电路3.1半导体的根本知识3.2PN 结的构成及特性3.3二极管3.4二极管的根本电路及其分析方法半半导体的特性、体的特性、PN结的构成及特性的构成及特性o主要内容主要内容o什么是半什么是半导体？体？o本征半本征半导体体o杂质半半导体体oP型半型半导体体oN型半型半导体体oPN结的构成及特性的构成及特性o目的与要求目的与要求o了解本征半了解本征半导体的构造和特征体的构造和特征o了解了解杂质半半导体的构造和特征体的构造和特征o结实掌握掌握P型和型和N型半型半导体的特点体的特点o了解了解PN结的构成机理，掌握其的构成机理，掌握其单导游游电性性o重点：重点：PN结的的单导游游电性
2、性o难点：点：PN结的构成机理的构成机理半半导体的体的导电性能由其原子构造决性能由其原子构造决议的。的。一、什么是半一、什么是半导体？体？o导体：体：电阻率阻率 109 cm 物物质。如橡胶、塑。如橡胶、塑料等。料等。o半半导体：体：导电性能介于性能介于导体和体和绝缘体之体之间的物的物质。大多数半大多数半导体器件所用的主要体器件所用的主要资料是硅料是硅(Si)和和锗(Ge)。硅原子构造硅原子构造硅原子构造硅原子构造(a)硅的原子构造硅的原子构造图最外最外层电子称价子称价电子子 价电子锗原子也是原子也是 4 价元素。价元素。4 价元素的原子价元素的原子经常用常用+ 4 电荷的荷的正离子和周正离子
3、和周围 4个价个价电子表示。子表示。+4(b)简化模型化模型一、什么是半一、什么是半导体？体？+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半导体 o本征半本征半导体：完全体：完全纯真的真的9个个9、不含其他、不含其他杂质且具有晶体构造的半且具有晶体构造的半导体。体。o单晶体中的共价晶体中的共价键构造构造共共价价键价价电子子o当温度当温度 T = 0 K 时，本征半，本征半导体不体不导电，好像，好像绝缘体。体。二、本征半导体 o本征激本征激发+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在自在电子子空穴空穴 假假设温度升高，将有少数价温度升高，将有少数价电子抑制共价子抑制共价键的束的束缚成成为自在自在电
4、子，在原来的共价子，在原来的共价键中留下一个空位中留下一个空位空穴。空穴。o本征半本征半导体具有微弱的体具有微弱的导电才干，且才干，且导电才干与温度有关。才干与温度有关。空穴可看成空穴可看成带正正电的的载流子流子热激激发二、本征半导体 o自在自在电子子-空穴空穴对：本征半：本征半导体中，自在体中，自在电子和空穴子和空穴总是成是成对出出现的。的。o两种两种载流子流子o自在自在电子子o空穴空穴o由于物由于物质的运的运动，自在，自在电子和空穴不断的子和空穴不断的产生又不断的复合。生又不断的复合。o 在一定的温度下，在一定的温度下，产生与复合运生与复合运动会到达平衡，会到达平衡，载流子的流子的浓度度就
5、一定了。就一定了。o载流子的流子的浓度与温度度与温度亲密相关：随着温度的升高，根本按指数密相关：随着温度的升高，根本按指数规律律添加。添加。三、杂质半导体 oP 型半导体oN 型半导体1、N 型半导体o在硅或在硅或锗的晶体中的晶体中掺入少量的入少量的5价价杂质元素，如磷、元素，如磷、锑、砷等，即构成、砷等，即构成 N 型半型半导体。体。o掺入入 杂质后，原来晶体中的某些硅原子将被后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子替代。原子替代。杂质原子最原子最外外层有有 5 个价个价电子，其中子，其中 4 个与硅构成共价个与硅构成共价键，多余一个，多余一个电子只受本身子只受本身原子核吸引，在室温下即可成原
6、子核吸引，在室温下即可成为自在自在电子。子。1、N 型半导体o施主原子施主原子oN型半型半导体也称体也称为电子型半子型半导体体o多数多数载流子流子电子子o少数少数载流子流子空穴空穴o电子子浓度空穴度空穴浓度度施主原子施主原子自在电子1、N 型半导体o思索：空穴比未加思索：空穴比未加杂质时的数目多了的数目多了还是少了？是少了？为什么？什么？o杂质半半导体主要靠多数体主要靠多数载流子流子导电。掺入入杂质越多，多子越多，多子浓度越高，度越高，导电性越性越强，实现导电性可控。性可控。在在T=300K 室温下：室温下：本征硅的原子本征硅的原子浓度度: 4.961022/cm3；本征硅的本征硅的电子和空穴
7、子和空穴浓度度: n=p=1.41010/cm3； 掺杂后后 N 型半型半导体中的自在体中的自在电子子浓度度: n=51016/cm3。该三个三个浓度依次相差度依次相差6个数量个数量级。2、P 型半导体o在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。oP 型半导体的晶体构造2、 P 型半导体oP 型半型半导体的特点体的特点o空穴空穴浓度度远大于大于电子子浓度，即度，即 p no多数多数载流子流子空穴空穴o少数少数载流子流子电子子 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一样吗？少子与多子浓度的变化一样吗？3、杂质半导体阐明(a)
8、N 型半型半导体体(b) P 型半型半导体体o杂质半半导体的体的导电才干大大改善，且其才干大大改善，且其导电才干由才干由掺杂质浓度决度决议。o掺入入杂质的的浓度决度决议多数多数载流子流子浓度；温度决度；温度决议少数少数载流子的流子的浓度。度。o杂质半半导体体总体上体上坚持持电中性。中性。o杂质半半导体的表示方法：体的表示方法：o为什么将自然界导电性能中等的半导体资料制本钱征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？o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要素？问 题四、四、PN 结的构成及其的构成及其单导游游电性性 在在一一块半半导体体单晶晶上上一一侧掺杂成
9、成为P 型型半半导体体，另另一一侧掺杂成成为N 型型半半导体体，两两个个区区域域的的交交界界处就就构构成成了了一一个个特特殊殊的的薄薄层，称，称为PN 结。 PNPN结结图 1.2.1PN 结的构成的构成1、PN 结中载流子的运动耗尽耗尽层空间电荷区PN 分散运分散运动 分散运分散运动动构成空构成空间电间电荷区荷区电子子和和空空穴穴浓度度差差构构成成多数多数载流子的分散运流子的分散运动。 PN 结，耗尽，耗尽层。PN 空空间电间电荷区荷区产产生内生内电场电场PN空间电荷区内电场UD 空空间电荷区正荷区正负离子之离子之间电位差位差 UD 电位壁位壁垒； 内内电场； 内内电场阻止多子的分散阻止多子
10、的分散 阻阻挠层。 漂移运漂移运动 内内电场电场有利于少子运有利于少子运动动漂移。漂移。 阻挠层1、PN 结中载流子的运动 少子的运少子的运动动与多子运与多子运动动方向相反方向相反1、PN 结中载流子的运动o分散与漂移的分散与漂移的动态平衡平衡o分散运分散运动使空使空间电荷区增大，分散荷区增大，分散电流逐流逐渐减小；减小；o随着内随着内电场的加的加强，漂移运，漂移运动逐逐渐添加；添加；o当分散当分散电流与漂移流与漂移电流相等流相等时，PN 结总的的电流等于流等于零，空零，空间电荷区的荷区的宽度到达度到达稳定。即分散运定。即分散运动与漂移与漂移运运动到达到达动态平衡。平衡。o空空间电荷区的荷区的
11、宽度度约为几微米几微米 几十微米；几十微米；o电压壁壁垒 UD：硅：硅资料料约为(0.6 0.8) V, o 锗资料料约为(0.2 0.3) V。2、PN 的单导游电性oPN 结外加正向外加正向电压时，回路中将，回路中将产生一个生一个较大的正向大的正向电流，流， PN 结处于于导通形状；通形状；oPN 结外加反向外加反向电压时，回路中反向，回路中反向电流非常小，几乎流非常小，几乎等于零，等于零， PN 结处于截止形状。于截止形状。外电场方向内电场方向空间电荷区VRIPNo正向正向电压正向接法、正向偏置、正偏正向接法、正向偏置、正偏o空空间电荷区荷区变窄，有利于分散运窄，有利于分散运动，电路中有
12、路中有较大的正向大的正向电流流o在在 PN 结加上一个很小的正向加上一个很小的正向电压，即可得到，即可得到较大的正向大的正向电流，流，为防防止止电流流过大，可接入大，可接入电阻阻 R。PN 结加正向电压空间电荷区PN外电场方向内电场方向VRISPN 结加反向电压o外外电场与内与内电场的方向一致，加的方向一致，加强了内了内电场的作用，使空的作用，使空间电荷区荷区变宽；o不利于分散运不利于分散运动，有利于漂移运，有利于漂移运动，漂移，漂移电流大于分散流大于分散电流，流，产生反向生反向电流流I S；o由于少数由于少数载流子流子浓度很低，反向度很低，反向电流数流数值非常小；非常小；o反向反向电流又称反
13、向流又称反向饱和和电流。流。对温度非常敏感，随着温度升高，温度非常敏感，随着温度升高， IS 将急将急剧增大。增大。当当PN 结正正向向偏偏置置时，回回路路中中将将产生生一一个个较大大的的正正向向电流流， PN 结处于于 导通形状；通形状； 当当 PN 结反反向向偏偏置置时，回回路路中中反反向向电流流非非常常小小，几几乎乎等等于于零零， PN 结处于截止形状。于截止形状。结论：PN 结具有具有单导游游电性。性。2、PN 的单导游电性 当当PN结的反向的反向电压添加添加到一定数到一定数值时，反向，反向电流忽流忽然快速添加，此景象称然快速添加，此景象称为PN结的反向的反向击穿。穿。热击穿穿不可逆不
14、可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿穿可逆可逆3、PN 的反向击穿o分散分散电容容CD4、PN 结的电容效应o势垒电容容CB 结电容容Cj Cj=CD+CB结电容不是常量！假容不是常量！假设PN结外加外加电压频率高到一定程度，那么失去率高到一定程度，那么失去单导游游电性！性！课堂练习一、判别1在N型半导体中假设掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。 2由于N型半导体的多子是自在电子，所以它带负电。 3PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。 二、选择1PN结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 根本不变 C. 变宽2稳压管的稳压区是其任务在 。 A. 正导游通 B.反向截止 C.反向击穿
